2024-2025学年新教材高中物理第三章热力学定律1功热和内能的改变学案新人教版选择性必修3

PAGE11-功、热和内能的变更必备学问·素养奠基一、焦耳的试验问题:如何求得该装置机械能的削减量?提示:机械能的削减由水的质量和上升的温度以及水的比热容求得。1.绝热过程:系统不从外界吸热,也不向外界放热。2.代表性试验:(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。(2)通过电流的热效应给水加热。3.试验结论:要使系统状态通过绝热过程发生变更,做功的数量只由过程始末两个状态确定,而与做功的方式无关。二、功和内能的变更1.内能:依靠于一个热力学系统自身状态的物理量,是热力学系统的一种能量。2.绝热过程中做功与内能变更的关系:ΔU=W。三、热和内能的变更1.传热:热量总是从高温物体向低温物体传递。2.热量和内能:(1)关系描述:热量是在单纯的传热过程中系统内能变更的量度。(2)公式表达:ΔU=Q。关键实力·素养形成一做功与内能变更的关系1.做功与内能变更的关系:(1)做功变更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。2.功与内能的区分:(1)功是过程量,内能是状态量。(2)在绝热过程中,做功确定能引起内能的变更。(3)物体的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,只有内能变更越大时,相应地做功才越多。(1)外界对某一系统做功时系统的内能不确定增加,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。【思索·探讨】幼儿园里一般都有滑梯,小挚友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热,这是为什么?提示:小挚友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功,内能增加。考查角度1做功与内能的变更【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 ()A.快速向外拉活塞 B.快速向里推活塞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削减。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞快速向里推,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,温度上升,从而达到汽油燃点,故B对。考查角度2变更物体内能方式的推断【典例示范】下列过程中,主要通过做功方式变更物体内能的是()A.湿衣服中的水蒸发B.水中的冰熔化C.池水在阳光的照耀下温度上升D.锤子敲击钉子后钉子变热【解析】选D。湿衣服中的水蒸发是因为传热,故A错误;水中的冰熔化是因为传热,故B错误;池水在阳光的照耀下温度上升是热传递,故C错误;锤子敲击钉子后钉子变热是因为锤子对钉子做功转化为热量,故D正确。【规律方法】分析绝热过程的方法(1)在绝热的状况下,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,系统内能削减,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,内能的变更ΔU也确定了。而功是能量转化的量度,所以ΔU=W,即W为恒量,这也是推断绝热过程的一种方法。【素养训练】1.冬天站在室外时,人们习惯地搓着双手以取暖,这个过程中()A.人站着不动就没有做功B.即使双手光滑也能搓手取暖C.人体内的化学能转换为双手的机械能D.双手的内能转换为机械能【解析】选C。搓着双手以取暖,是通过克服摩擦力做功发热取暖的,是人体内的化学能转化为双手的机械能,再通过克服摩擦力做功转化为内能,若双手光滑,就无法克服摩擦力做功,无法取暖,故A、B、D错误,C正确。2.如图几幅图中,有关功与内能的说法中正确的是()A.图1中快速下压活塞,棉花会燃烧起来,说明热传递可以使物体的温度上升B.图2中重物下落带动叶片转动,由于叶片向水传递热量而使水的温度上升C.图3中着陆的重物使发电机发电,电流对水做功使水的温度上升D.做功和热传递都可以使物体的内能增加【解析】选D。图1中通过压缩活塞对空气做功,气体内能增加,温度上升,达到棉花着火点,使棉花燃烧,并非是热传递使温度上升,故A错误;图2中重物下落带动叶片转动,由叶片对水做功而使水的温度上升,故B错误;图3中着陆的重物使发电机发电,电流对电阻做功使电阻发热,然后电阻把热量传递给水,使水的温度上升,故C错误;做功和热传递都可以使物体的内能增加,故D正确。【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,筒内高压空气快速向外溢出,待筒内、外压强相等时,马上关闭开关。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.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二功、内能、热量和温度的区分与联系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猛烈程度,是分子平均动能的标记。物体的温度上升,其内能确定增加。但向物体传递热量,物体的内能却不确定增加(可能同时对外做功)。2.热量和内能:(1)内能是由系统的状态确定的,状态确定,系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变更,可以通过传热和做功两种方式来完成。(2)热量是传热过程中的特征物理量,热量只是反映物体在状态变更过程中所转移的能量,是用来衡量物体内能变更的,有过程,才有变更,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更的量度,而温度是系统内大量分子做无规则运动猛烈程度的标记。传热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更的量度,都是过程量,确定量的热量与确定量的功相当,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分。5.变更内能的两种方式的比较:比较项目做功传热内能变更外界对物体做功,物体的内能增加;物体对外界做功,物体的内能削减物体汲取热量,内能增加;物体放出热量,内能削减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相互联系做确定量的功或传递确定量的热量在变更内能的效果上是相同的(1)内能与热量的区分:内能是状态量,由系统的状态确定;热量是过程量,由传热过程确定。(2)内能的变更与热量的联系:在单纯的传热过程中,系统内能的增加量等于外界向系统传的热量。【思索·探讨】如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射,请在图片基础上思索以下问题:探讨:(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点?提示:热量从高温处向低温处传递。(2)传热和做功都可以变更物体的内能,这两种方式在变更物体内能时本质上又有什么不同?提示:传热变更内能是能量的转移过程,做功变更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更的量度C.热量、功和内能的单位不同D.功由过程确定,而热量和内能由物体的状态确定【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更的量度,故B正确;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳,故C错误;功和热量由过程确定,内能由物体的状态确定,故D错误。【误区警示】传热、做功和内能的变更的认知误区(1)误认为有传热或做功时,内能确定变更。假如只是做功或只是进行热量传递都会变更物体的内能,但是假如做功的同时还有热量的传递,则内能不确定会发生变更。(2)对做功与内能变更关系相识不清。在推断内能增加或减小时,确定要搞清是对内做功还是对外做功,是从外界汲取热量还是向外界放出热量。【素养训练】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.两物体发生传热,达到平衡后,它们的内能必定相等D.做功和传热对于变更物体内能是等效的【解析】选D。物体的内能的变更可以用物体吸热或放热的多少来量度,故A错误。热量是传热的能量多少的量度,不是内能的量度,故B错误。物体发生传热,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。做功和传热对于变更物体内能是等效的,故D正确。2.(多选)下面是某同学“物理学习笔记”中的摘录,其中正确的是()A.燃料的热值与燃料的质量没有关系B.温度越高的物体含有的热量越多C.做功和传热在变更物体的内能上是等效的D.分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的【解析】选A、C、D。燃料的热值是指单位质量某种燃料完全燃烧时放出的热量,与燃料的质量没有关系,A正确;热量是个过程量,只有发生传热时说物体汲取或放出多少热量,不能说物体具有或含有多少热量,B错误;做功和传热在变更物体的内能上是等效的,C正确;分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的,D正确。3.真空中两物体彼此接触,但它们之间没有发生传热,其缘由是()A.它们具有相同的内能B.它们具有相同的分子平均速率C.它们具有相同的温度D.它们具有相等的比热【解析】选C。因为发生传热的条件是有温度差,假如两物体没发生传热,确定是具有相同的温度。故选C。【补偿训练】(多选)下列说法中正确的是()A.做功和传热是变更物体内能的两种本质不同的物理过程:做功使物体的内能变更,是其他形式的能和内能之间的转化;传热则不同,它是物体内能的转移B.外界对物体做功,物体的内能确定增大C.物体向外界放热,物体的内能确定增大D.热量是在传热中,从一个物体向另一个物体或物体的一部分向另一部分转移内能的多少【解析】选A、D。做功和传热变更物体内能的本质不同,因为做功的过程确定是不同形式的能相互转化的过程,而传热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移,故A选项正确。物体内能的变更取决于做功和传热两种途径,单就一个方面不足以断定其内能的变更,故B、C选项不正确。热量是内能转移的量度,D选项正确。【拓展例题】考查内容:对内能概念的理解【典例】分子动理论中是怎样引入系统内能概念的?热力学中是怎样引入系统内能概念的?为什么说它们是一样的?【解析】分子动理论中是从微观角度引入系统内能的概念,即系统中全部分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫作系统的内能。热力学中是从宏观角度引入系统内能的概念,即内能是状态量,当系统的温度、体积变更时,系统的内能就要变更。由于系统中分子热运动的动能和分子势能是由系统的温度和体积确定的,故以上两种说法本质上是一样的。答案:见解析课堂检测·素养达标1.做功和传热是等效的,这里指的是()A.它们能使物体变更相同的温度B.它们能使物体变更相同的内能C.它们能使物体增加相同的热量D.它们本质上是相同的【解析】选B。做的功与传递的热量相等时,物体内能的变更是相等的,由于不同的物体的比热不同,质量也可能不同,温度的变更不确定相同,故A错误。变更物体内能的方法有两种:做功和传热。两种方法对变更物体的内能来说是等效的,即做的功与传递的热量相等时,物体内能的变更是相等的,故B正确。做的功与传递的热量相等时,物体内能的变更是相等的,不能说确定增加相等的热量,故C错误。做功是把其他形式的能量转化为内能,而传热是物体之间内能的转移,二者本质不同,故D错误。2.下列说法正确的是()A.物体放出热量,其内能确定减小B.物体对外做功,其内能确定减小C.物体汲取热量,同时对外做功,其内能可能增加D.物体放出热量,同时对外做功,其内能可能不变【解析】选C。变更内能有两种方式——做功和传热,物体放出热量,内能不确定削减,物体对外做功,内能也不确定削减,选项A、B错误;物体汲取热量大于对外做功,内能可能增加,选项C正确;物体放出热量,同时对外做功,其内能确定削减,选项D错误。3.用酒精灯给试管中的水加热,如图所示,在软木塞冲出试管口的过程中,下列说法正确的是 ()A.水蒸气对软木塞做功,水蒸气的内能增大B.水蒸气的内能转化为软木塞的机械能C.能量的转化形式与热机压缩冲程能量转化相同D.软木塞的机械能守恒【解析】选B。水蒸气对软木塞做功,水蒸气内能减小,温度降低,故A错误;软木塞冲出的过程中是水蒸气的