2024-2025學(xué)年新教材高中物理第三章熱力學(xué)定律1功熱和內(nèi)能的改變學(xué)案新人教版選擇性必修3

PAGE11-功、熱和內(nèi)能的變更必備學(xué)問·素養(yǎng)奠基一、焦耳的試驗(yàn)問題:如何求得該裝置機(jī)械能的削減量?提示:機(jī)械能的削減由水的質(zhì)量和上升的溫度以及水的比熱容求得。1.絕熱過程:系統(tǒng)不從外界吸熱,也不向外界放熱。2.代表性試驗(yàn):(1)重物下落帶動葉片攪拌容器中的水,引起水溫上升。(2)通過電流的熱效應(yīng)給水加熱。3.試驗(yàn)結(jié)論:要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變更,做功的數(shù)量只由過程始末兩個(gè)狀態(tài)確定,而與做功的方式無關(guān)。二、功和內(nèi)能的變更1.內(nèi)能:依靠于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量,是熱力學(xué)系統(tǒng)的一種能量。2.絕熱過程中做功與內(nèi)能變更的關(guān)系:ΔU=W。三、熱和內(nèi)能的變更1.傳熱:熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞。2.熱量和內(nèi)能:(1)關(guān)系描述:熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變更的量度。(2)公式表達(dá):ΔU=Q。關(guān)鍵實(shí)力·素養(yǎng)形成一做功與內(nèi)能變更的關(guān)系1.做功與內(nèi)能變更的關(guān)系:(1)做功變更物體內(nèi)能的過程是其他形式的能(如機(jī)械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程。(2)在絕熱過程中,外界對物體做多少功,就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,物體的內(nèi)能就增加多少。2.功與內(nèi)能的區(qū)分:(1)功是過程量,內(nèi)能是狀態(tài)量。(2)在絕熱過程中,做功確定能引起內(nèi)能的變更。(3)物體的內(nèi)能大,并不意味著做功多。在絕熱過程中,只有內(nèi)能變更越大時(shí),相應(yīng)地做功才越多。(1)外界對某一系統(tǒng)做功時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)能不確定增加,還要看該系統(tǒng)有沒有向外放熱,以及向外放熱的多少。(2)在絕熱過程中,系統(tǒng)內(nèi)能的增加量等于外界對系統(tǒng)所做的功?！舅妓鳌ぬ接憽坑變簣@里一般都有滑梯,小摯友沿滑梯下滑時(shí)屁股通常會感到發(fā)熱,這是為什么?提示:小摯友沿滑梯下滑時(shí)克服摩擦力做功,內(nèi)能增加?？疾榻嵌?做功與內(nèi)能的變更【典例示范】擁有私家車的人們越來越多,說明人們生活水平不斷提高。某汽車的發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)裝有汽油與空氣的混合氣體,如圖所示,要使該混合氣體達(dá)到其燃點(diǎn),則 ()A.快速向外拉活塞 B.快速向里推活塞C.緩慢向里推活塞 D.緩慢向外拉活塞【解析】選B。氣體壓縮時(shí)外界對氣體做功內(nèi)能增大,氣體膨脹時(shí)氣體對外做功內(nèi)能削減。將裝有汽油與空氣的混合氣體的汽缸中的活塞快速向里推,該汽缸內(nèi)混合氣體來不及與外界發(fā)生熱交換,可以看作絕熱過程,同時(shí)由于外界通過活塞對該氣體做功,使該混合氣體的內(nèi)能增加,溫度上升,從而達(dá)到汽油燃點(diǎn),故B對。考查角度2變更物體內(nèi)能方式的推斷【典例示范】下列過程中,主要通過做功方式變更物體內(nèi)能的是()A.濕衣服中的水蒸發(fā)B.水中的冰熔化C.池水在陽光的照耀下溫度上升D.錘子敲擊釘子后釘子變熱【解析】選D。濕衣服中的水蒸發(fā)是因?yàn)閭鳠?故A錯誤;水中的冰熔化是因?yàn)閭鳠?故B錯誤;池水在陽光的照耀下溫度上升是熱傳遞,故C錯誤;錘子敲擊釘子后釘子變熱是因?yàn)殄N子對釘子做功轉(zhuǎn)化為熱量,故D正確?！疽?guī)律方法】分析絕熱過程的方法(1)在絕熱的狀況下,若外界對系統(tǒng)做正功,系統(tǒng)內(nèi)能增加,ΔU為正值;若系統(tǒng)對外界做正功,系統(tǒng)內(nèi)能削減,ΔU為負(fù)值。此過程做功的多少為內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度。(2)在絕熱過程中,內(nèi)能和其他形式的能一樣也是狀態(tài)量,氣體的初、末狀態(tài)確定了,即在初、末狀態(tài)的內(nèi)能也相應(yīng)地確定了,內(nèi)能的變更ΔU也確定了。而功是能量轉(zhuǎn)化的量度,所以ΔU=W,即W為恒量,這也是推斷絕熱過程的一種方法?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.冬天站在室外時(shí),人們習(xí)慣地搓著雙手以取暖,這個(gè)過程中()A.人站著不動就沒有做功B.即使雙手光滑也能搓手取暖C.人體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為雙手的機(jī)械能D.雙手的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能【解析】選C。搓著雙手以取暖,是通過克服摩擦力做功發(fā)熱取暖的,是人體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為雙手的機(jī)械能,再通過克服摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,若雙手光滑,就無法克服摩擦力做功,無法取暖,故A、B、D錯誤,C正確。2.如圖幾幅圖中,有關(guān)功與內(nèi)能的說法中正確的是()A.圖1中快速下壓活塞,棉花會燃燒起來,說明熱傳遞可以使物體的溫度上升B.圖2中重物下落帶動葉片轉(zhuǎn)動,由于葉片向水傳遞熱量而使水的溫度上升C.圖3中著陸的重物使發(fā)電機(jī)發(fā)電,電流對水做功使水的溫度上升D.做功和熱傳遞都可以使物體的內(nèi)能增加【解析】選D。圖1中通過壓縮活塞對空氣做功,氣體內(nèi)能增加,溫度上升,達(dá)到棉花著火點(diǎn),使棉花燃燒,并非是熱傳遞使溫度上升,故A錯誤;圖2中重物下落帶動葉片轉(zhuǎn)動,由葉片對水做功而使水的溫度上升,故B錯誤;圖3中著陸的重物使發(fā)電機(jī)發(fā)電,電流對電阻做功使電阻發(fā)熱,然后電阻把熱量傳遞給水,使水的溫度上升,故C錯誤;做功和熱傳遞都可以使物體的內(nèi)能增加,故D正確?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣,打開筒的開關(guān),筒內(nèi)高壓空氣快速向外溢出,待筒內(nèi)、外壓強(qiáng)相等時(shí),馬上關(guān)閉開關(guān)。在外界保持恒溫的條件下,經(jīng)過一段較長的時(shí)間后,再次打開開關(guān),這時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象是()A.筒外空氣流向筒內(nèi)B.筒內(nèi)空氣流向筒外C.筒內(nèi)、外有空氣交換,處于動態(tài)平衡,筒內(nèi)空氣質(zhì)量不變D.筒內(nèi)、外無空氣交換【解析】選B。因高壓空氣急劇外溢時(shí),氣體來不及充分與外界發(fā)生熱交換,可近似看成絕熱膨脹過程,氣體對外做功,內(nèi)能減小,所以關(guān)閉開關(guān)時(shí),筒內(nèi)氣體溫度較外界偏低,再經(jīng)過較長時(shí)間后,筒內(nèi)、外氣體溫度相同。對筒內(nèi)剩余氣體分析,屬于等容升溫過程,壓強(qiáng)要增大,大于外界氣壓,所以再打開開關(guān)時(shí),筒內(nèi)氣體要流向筒外,B對。2.如圖所示,一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置,絕熱活塞的質(zhì)量為5kg,面積為0.1m2,處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50cm,現(xiàn)在活塞上方加一15kg的物體,待穩(wěn)定后,被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm。求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加了多少?(p0=1.01×105Pa,g取10m/s2)【解析】由于汽缸及活塞均絕熱,故外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能,即ΔU=W外=(m活塞+m物體)gΔh+p0SΔh=(5+15)×10×0.1J+1.01×105×0.1×0.1J=1030J。答案:1030J二功、內(nèi)能、熱量和溫度的區(qū)分與聯(lián)系1.內(nèi)能與溫度:從宏觀上看,溫度表示的是物體的冷熱程度;從微觀上看,溫度反映了分子熱運(yùn)動的猛烈程度,是分子平均動能的標(biāo)記。物體的溫度上升,其內(nèi)能確定增加。但向物體傳遞熱量,物體的內(nèi)能卻不確定增加(可能同時(shí)對外做功)。2.熱量和內(nèi)能:(1)內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)確定的,狀態(tài)確定,系統(tǒng)的內(nèi)能也隨之確定。要使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變更,可以通過傳熱和做功兩種方式來完成。(2)熱量是傳熱過程中的特征物理量,熱量只是反映物體在狀態(tài)變更過程中所轉(zhuǎn)移的能量,是用來衡量物體內(nèi)能變更的,有過程,才有變更,離開過程,毫無意義。(3)對某一狀態(tài)而言,只有“內(nèi)能”,根本不存在“熱量”和“功”。不能說一個(gè)系統(tǒng)中含有多少熱量。3.熱量與溫度:熱量是系統(tǒng)的內(nèi)能變更的量度,而溫度是系統(tǒng)內(nèi)大量分子做無規(guī)則運(yùn)動猛烈程度的標(biāo)記。傳熱的前提條件是兩個(gè)系統(tǒng)之間要有溫度差,傳遞的是熱量而不是溫度。4.熱量與功:熱量和功都是系統(tǒng)內(nèi)能變更的量度,都是過程量,確定量的熱量與確定量的功相當(dāng),熱量可以通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為功,功也可以通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為熱量,但它們之間有著本質(zhì)的區(qū)分。5.變更內(nèi)能的兩種方式的比較:比較項(xiàng)目做功傳熱內(nèi)能變更外界對物體做功,物體的內(nèi)能增加;物體對外界做功,物體的內(nèi)能削減物體汲取熱量,內(nèi)能增加;物體放出熱量,內(nèi)能削減物理實(shí)質(zhì)其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移相互聯(lián)系做確定量的功或傳遞確定量的熱量在變更內(nèi)能的效果上是相同的(1)內(nèi)能與熱量的區(qū)分:內(nèi)能是狀態(tài)量,由系統(tǒng)的狀態(tài)確定;熱量是過程量,由傳熱過程確定。(2)內(nèi)能的變更與熱量的聯(lián)系:在單純的傳熱過程中,系統(tǒng)內(nèi)能的增加量等于外界向系統(tǒng)傳的熱量。【思索·探討】如圖所示是傳熱的三種方式——傳導(dǎo)、對流和輻射,請?jiān)趫D片基礎(chǔ)上思索以下問題:探討:(1)這三種方式在傳遞能量時(shí)有什么共同點(diǎn)?提示:熱量從高溫處向低溫處傳遞。(2)傳熱和做功都可以變更物體的內(nèi)能,這兩種方式在變更物體內(nèi)能時(shí)本質(zhì)上又有什么不同?提示:傳熱變更內(nèi)能是能量的轉(zhuǎn)移過程,做功變更內(nèi)能是能量的轉(zhuǎn)化過程。【典例示范】關(guān)于熱量、功和內(nèi)能三個(gè)物理量,下列說法中正確的是()A.熱量、功和內(nèi)能三者的物理意義相同,只是說法不同B.熱量、功都可以作為物體內(nèi)能變更的量度C.熱量、功和內(nèi)能的單位不同D.功由過程確定,而熱量和內(nèi)能由物體的狀態(tài)確定【解析】選B。熱量、功和內(nèi)能是三個(gè)不同的物理量,它們的物理意義不同,故A錯誤;功與熱量都是能量轉(zhuǎn)化的量度,熱量和功都可以作為物體內(nèi)能變更的量度,故B正確;熱量、功和內(nèi)能的單位相同,都是焦耳,故C錯誤;功和熱量由過程確定,內(nèi)能由物體的狀態(tài)確定,故D錯誤?！菊`區(qū)警示】傳熱、做功和內(nèi)能的變更的認(rèn)知誤區(qū)(1)誤認(rèn)為有傳熱或做功時(shí),內(nèi)能確定變更。假如只是做功或只是進(jìn)行熱量傳遞都會變更物體的內(nèi)能,但是假如做功的同時(shí)還有熱量的傳遞,則內(nèi)能不確定會發(fā)生變更。(2)對做功與內(nèi)能變更關(guān)系相識不清。在推斷內(nèi)能增加或減小時(shí),確定要搞清是對內(nèi)做功還是對外做功,是從外界汲取熱量還是向外界放出熱量?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.關(guān)于物體內(nèi)能與熱量、做功的關(guān)系,以下說法正確的是()A.物體內(nèi)能的多少可以用物體吸熱或放熱的多少來量度B.內(nèi)能大的物體熱量多C.兩物體發(fā)生傳熱,達(dá)到平衡后,它們的內(nèi)能必定相等D.做功和傳熱對于變更物體內(nèi)能是等效的【解析】選D。物體的內(nèi)能的變更可以用物體吸熱或放熱的多少來量度,故A錯誤。熱量是傳熱的能量多少的量度,不是內(nèi)能的量度,故B錯誤。物體發(fā)生傳熱,達(dá)到平衡后,溫度相等,而不是內(nèi)能相等,內(nèi)能除了與溫度有關(guān),還與物質(zhì)的量有關(guān),故C錯誤。做功和傳熱對于變更物體內(nèi)能是等效的,故D正確。2.(多選)下面是某同學(xué)“物理學(xué)習(xí)筆記”中的摘錄,其中正確的是()A.燃料的熱值與燃料的質(zhì)量沒有關(guān)系B.溫度越高的物體含有的熱量越多C.做功和傳熱在變更物體的內(nèi)能上是等效的D.分子間相互作用的引力和斥力是同時(shí)存在的【解析】選A、C、D。燃料的熱值是指單位質(zhì)量某種燃料完全燃燒時(shí)放出的熱量,與燃料的質(zhì)量沒有關(guān)系,A正確;熱量是個(gè)過程量,只有發(fā)生傳熱時(shí)說物體汲取或放出多少熱量,不能說物體具有或含有多少熱量,B錯誤;做功和傳熱在變更物體的內(nèi)能上是等效的,C正確;分子間相互作用的引力和斥力是同時(shí)存在的,D正確。3.真空中兩物體彼此接觸,但它們之間沒有發(fā)生傳熱,其緣由是()A.它們具有相同的內(nèi)能B.它們具有相同的分子平均速率C.它們具有相同的溫度D.它們具有相等的比熱【解析】選C。因?yàn)榘l(fā)生傳熱的條件是有溫度差,假如兩物體沒發(fā)生傳熱,確定是具有相同的溫度。故選C?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】(多選)下列說法中正確的是()A.做功和傳熱是變更物體內(nèi)能的兩種本質(zhì)不同的物理過程:做功使物體的內(nèi)能變更,是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化;傳熱則不同,它是物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移B.外界對物體做功,物體的內(nèi)能確定增大C.物體向外界放熱,物體的內(nèi)能確定增大D.熱量是在傳熱中,從一個(gè)物體向另一個(gè)物體或物體的一部分向另一部分轉(zhuǎn)移內(nèi)能的多少【解析】選A、D。做功和傳熱變更物體內(nèi)能的本質(zhì)不同,因?yàn)樽龉Φ倪^程確定是不同形式的能相互轉(zhuǎn)化的過程,而傳熱是同種形式的能量(內(nèi)能)在不同的物體之間或物體不同的部分之間傳遞或轉(zhuǎn)移,故A選項(xiàng)正確。物體內(nèi)能的變更取決于做功和傳熱兩種途徑,單就一個(gè)方面不足以斷定其內(nèi)能的變更,故B、C選項(xiàng)不正確。熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度,D選項(xiàng)正確?！就卣估}】考查內(nèi)容:對內(nèi)能概念的理解【典例】分子動理論中是怎樣引入系統(tǒng)內(nèi)能概念的?熱力學(xué)中是怎樣引入系統(tǒng)內(nèi)能概念的?為什么說它們是一樣的?【解析】分子動理論中是從微觀角度引入系統(tǒng)內(nèi)能的概念,即系統(tǒng)中全部分子熱運(yùn)動的動能和分子間的相互作用勢能的總和叫作系統(tǒng)的內(nèi)能。熱力學(xué)中是從宏觀角度引入系統(tǒng)內(nèi)能的概念,即內(nèi)能是狀態(tài)量,當(dāng)系統(tǒng)的溫度、體積變更時(shí),系統(tǒng)的內(nèi)能就要變更。由于系統(tǒng)中分子熱運(yùn)動的動能和分子勢能是由系統(tǒng)的溫度和體積確定的,故以上兩種說法本質(zhì)上是一樣的。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.做功和傳熱是等效的,這里指的是()A.它們能使物體變更相同的溫度B.它們能使物體變更相同的內(nèi)能C.它們能使物體增加相同的熱量D.它們本質(zhì)上是相同的【解析】選B。做的功與傳遞的熱量相等時(shí),物體內(nèi)能的變更是相等的,由于不同的物體的比熱不同,質(zhì)量也可能不同,溫度的變更不確定相同,故A錯誤。變更物體內(nèi)能的方法有兩種:做功和傳熱。兩種方法對變更物體的內(nèi)能來說是等效的,即做的功與傳遞的熱量相等時(shí),物體內(nèi)能的變更是相等的,故B正確。做的功與傳遞的熱量相等時(shí),物體內(nèi)能的變更是相等的,不能說確定增加相等的熱量,故C錯誤。做功是把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而傳熱是物體之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,二者本質(zhì)不同,故D錯誤。2.下列說法正確的是()A.物體放出熱量,其內(nèi)能確定減小B.物體對外做功,其內(nèi)能確定減小C.物體汲取熱量,同時(shí)對外做功,其內(nèi)能可能增加D.物體放出熱量,同時(shí)對外做功,其內(nèi)能可能不變【解析】選C。變更內(nèi)能有兩種方式——做功和傳熱,物體放出熱量,內(nèi)能不確定削減,物體對外做功,內(nèi)能也不確定削減,選項(xiàng)A、B錯誤;物體汲取熱量大于對外做功,內(nèi)能可能增加,選項(xiàng)C正確;物體放出熱量,同時(shí)對外做功,其內(nèi)能確定削減,選項(xiàng)D錯誤。3.用酒精燈給試管中的水加熱,如圖所示,在軟木塞沖出試管口的過程中,下列說法正確的是 ()A.水蒸氣對軟木塞做功,水蒸氣的內(nèi)能增大B.水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為軟木塞的機(jī)械能C.能量的轉(zhuǎn)化形式與熱機(jī)壓縮沖程能量轉(zhuǎn)化相同D.軟木塞的機(jī)械能守恒【解析】選B。水蒸氣對軟木塞做功,水蒸氣內(nèi)能減小,溫度降低,故A錯誤;軟木塞沖出的過程中是水蒸氣的