《功和内能　热和内能》素养课件

第十章热力学定律

1功和内能

2热和内能

【思考】问题:如何求得该装置机械能的减少量?提示:机械能的减少由水的质量和升高的温度以及水的比热容求得。一、焦耳的实验1.绝热过程:系统只通过外界对它_____或对外界_____而与外界交换能量,它不从外界_____,也不向外界_____。2.代表性实验:(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温_____。(2)通过电流的_______给水加热。3.实验结论:要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个_____决定,而与___________无关。做功做功吸热放热上升热效应状态做功的方式1.内能:依赖于一个热力学系统_________的物理量,是热力学系统的一种能量。2.绝热过程中做功与内能变化的关系:______。自身状态ΔU=W二、功和内能三、热和内能1.热传递:热量总是从_____物体向_____物体传递。2.热量和内能:(1)关系描述:热量是在单纯的热传递过程中系统__________的量度。(2)公式表达:______。高温低温内能变化ΔU=Q1.做功与内能变化的关系:(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。(2)在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内能就增加多少。知识点一做功与内能变化的关系2.功与内能的区别:(1)功是过程量,内能是状态量。(2)在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化。(3)物体的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,只有内能变化越大时,相应地做功才越多。【特别提醒】(1)外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加,还要看该系统有没有向外放热,以及向外放热的多少。(2)在绝热过程中,系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。【思考·讨论】幼儿园里一般都有滑梯,小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热,这是为什么? (物理观念)提示:小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功,内能增加。【典例示范】拥有私家车的人们越来越多,说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体,如图所示,要使该混合气体达到其燃点,则(

)考查角度1做功与内能的改变A.迅速向外拉活塞

B.迅速向里推活塞C.缓慢向里推活塞 D.缓慢向外拉活塞【解析】选B。气体压缩时外界对气体做功内能增大,气体膨胀时气体对外做功内能减少。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞迅速向里推,该汽缸内混合气体来不及与外界发生热交换,可以看作绝热过程,同时由于外界通过活塞对该气体做功,使该混合气体的内能增加,温度升高,从而达到汽油燃点,故B对。【典例示范】(2019·珠海高二检测)对于一个热力学系统,下列关于改变系统内能方式的说法正确的是(

)考查角度2改变物体内能方式的判断A.如果外界对它传递热量则系统内能一定增加B.如果外界对它做功则系统内能一定增加C.如果系统的温度不变则内能一定不变D.系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和【解析】选D。系统吸收热量,可能同时对外做功,内能不一定增加,故选项A错误;外界对系统做功,系统可能同时放热,系统的内能不一定增加,故选项B错误;如果系统的温度不变,物态发生变化,则内能一定变化,故选项C错误;系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和,故选项D正确。【规律方法】分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下,若外界对系统做正功,系统内能增加,ΔU为正值;若系统对外界做正功,系统内能减少,ΔU为负值。此过程做功的多少为内能转化的量度。(2)在绝热过程中,内能和其他形式的能一样也是状态量,气体的初、末状态确定了,即在初、末状态的内能也相应地确定了,内能的变化ΔU也确定了。而功是能量转化的量度,所以ΔU=W,即W为恒量,这也是判断绝热过程的一种方法。【定向训练】1.一定质量的理想气体,由状态A通过如图所示的箭头方向变化到状态C。则气体由状态A到状态B的过程中,气体的内能_____

(选填“增大”“减小”或“不变”);气体由状态B到状态C的过程中,气体与外界总的热交换情况是_______

(选填“吸热”“放热”或“无法确定”)。

【解析】理想气体从状态A变化到状态B,斜率k=pV保持不变,所以做等温变化,故气体的内能不变;理想气体从状态A变化到状态B,气体体积减小,外界对气体做功,B到C,体积不变,压强减小,所以温度降低,内能减小,气体由状态B到状态C的过程中,气体放热。答案:不变

放热2.如图所示,一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5kg,面积为0.1m2,处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm,现在活塞上方加一15kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少?(p0=1.01×105Pa,g取10m/s2)【解析】由于汽缸及活塞均绝热,故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能,即ΔU=W外=(m活塞+m物体)gΔh+p0SΔh=(5+15)×10×0.1J+1.01×105×0.1×0.1J=1030J答案:1030J【补偿训练】1.金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气,打开筒的开关,筒内高压空气迅速向外溢出,待筒内、外压强相等时,立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下,经过一段较长的时间后,再次打开开关,这时出现的现象是(

)A.筒外空气流向筒内B.筒内空气流向筒外C.筒内、外有空气交换,处于动态平衡,筒内空气质量不变D.筒内、外无空气交换【解析】选B。因高压空气急剧外溢时,气体来不及充分与外界发生热交换,可近似看成绝热膨胀过程,气体对外做功,内能减小,所以关闭开关时,筒内气体温度较外界偏低,再经过较长时间后,筒内、外气体温度相同。对筒内剩余气体分析,属于等容升温过程,压强要增大,大于外界气压,所以再打开开关时,筒内气体要流向筒外,B对。2.冬季,由于温度太低,很难启动摩托车。这时驾驶者往往先关闭油门,连续踏下启动摇杆若干次,然后再打开油门,踏下启动摇杆即可启动,运用的原理是什么?【解析】连续踏下启动摇杆,活塞不断压缩汽缸里的气体做功,增加气体的内能,使气体的温度升高,当达到汽油的燃点后,即可启动。答案:见解析1.内能与温度:从宏观上看,温度表示的是物体的冷热程度;从微观上看,温度反映了分子热运动的剧烈程度,是分子平均动能的标志。物体的温度升高,其内能一定增加。但向物体传递热量,物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。知识点二功、内能、热量和温度的区别

与联系2.热量和内能:(1)内能是由系统的状态决定的,状态确定,系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化,可以通过热传递和做功两种方式来完成。(2)热量是热传递过程中的特征物理量,热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量,是用来衡量物体内能变化的,有过程,才有变化,离开过程,毫无意义。(3)对某一状态而言,只有“内能”,根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。3.热量与温度:热量是系统的内能变化的量度,而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差,传递的是热量而不是温度。4.热量与功:热量和功都是系统内能变化的量度,都是过程量,一定量的热量与一定量的功相当,热量可以通过系统转化为功,功也可以通过系统转化为热量,但它们之间有着本质的区别。比较项目做

功热传递内能变化外界对物体做功,物体的内能增加;物体对外界做功,物体的内能减少物体吸收热量,内能增加;物体放出热量,内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移5.改变内能的两种方式的比较:比较项目做

功热传递相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的【特别提醒】(1)内能与热量的区别:内能是状态量,由系统的状态决定;热量是过程量,由热传递过程决定。(2)内能的改变与热量的联系:在单纯的热传递过程中,系统内能的增加量等于外界向系统传递的热量。【思考·讨论】情境:如图所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射,请在图片基础上思考以下问题:讨论:(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点? (物理观念)提示:热量从高温处向低温处传递。(2)热传递和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同? (科学思维)提示:热传递改变内能是能量的转移过程,做功改变内能是能量的转化过程。【典例示范】关于热量、功和内能三个物理量,下列说法中正确的是(

)A.热量、功和内能三者的物理意义相同,只是说法不同B.热量、功都可以作为物体内能变化的量度C.热量、功和内能的单位不同D.功由过程决定,而热量和内能由物体的状态决定【解析】选B。热量、功和内能是三个不同的物理量,它们的物理意义不同,故A错误;功与热量都是能量转化的量度,热量和功都可以作为物体内能变化的量度,故B正确;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳,故C错误;功和热量由过程决定,内能由物体的状态决定,故D错误。【误区警示】热传递、做功和内能的改变的认知误区(1)误认为有热传递或做功时,内能一定变化。如果只是做功或只是进行热量传递都会改变物体的内能,但是如果做功的同时还有热量的传递,则内能不一定会发生变化。(2)对做功与内能变化关系认识不清。在判断内能增加或减小时,一定要搞清是对内做功还是对外做功,是从外界吸收热量还是向外界放出热量。【定向训练】1.关于物体内能与热量、做功的关系,以下说法正确的是(

)A.物体内能的多少可以用物体吸热或放热的多少来量度B.内能大的物体热量多C.两物体发生热传递,达到平衡后,它们的内能必定相等D.做功和热传递对于改变物体内能是等效的【解析】选D。物体的内能的变化可以用物体吸热或放热的多少来量度,故A错误。热量是热传递的能量多少的量度,不是内能的量度,故B错误。物体发生热传递,达到平衡后,温度相等,而不是内能相等,内能除了与温度有关,还与物质的量有关,故C错误。做功和热传递对于改变物体内能是等效的,故D正确。2.(多选)下列说法正确的是(

)A.做功和热传递在改变物体内能上是等效的B.每一个分子都有势能和动能,分子动能与分子势能之和就是分子内能C.只有热传递才可以改变物体的内能D.一定质量的理想气体的内能只与温度有关,温度越高,内能越大【解析】选A、D。做功和热传递在改变物体内能上是等效的,A正确;分子势能存在于分子之间,单个的分子不存在分子势能,组成物质的所有分子动能与分子势能之和是物体的内能,故B错误;做功与热传递都可以改变物体的内能,故C错误;一定质量的理想气体的内能只与温度有关,温度越高,内能越大,D正确。【补偿训练】(多选)下列说法中正确的是 (

)A.做功和热传递是改变物体内能的两种本质不同的物理过程:做功使