第三章-第一節(jié)-功、熱和內能的改變(2019人教版選擇性必修第三冊)

第三章熱力學定律第1節(jié)功、熱和內能的改變知識點歸納知識點一、焦耳的實驗1．重物下落帶動葉片攪拌容器中的水(1)方法：在水中放置葉片，葉片上纏繞兩條繩子，每條繩子各跨過一個滑輪，且分別懸掛一個重物，盛水的容器用絕熱性能良好的材料包好．如圖所示，當重物下落時便帶動葉片轉動，容器中的水受葉片的攪動，水由于摩擦而溫度上升．(2)結論：只要重力所做的功相同，容器內水溫上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同．系統(tǒng)只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程．在絕熱過程中，不論懸掛重物的質量、下落的高度如何不同，只要重力所做的功相同，系統(tǒng)狀態(tài)變化就相同．2．利用電流的熱效應給水加熱的實驗(1)方法：如圖所示，利用降落的重物使發(fā)電機發(fā)電，電流通過浸在液體的電阻絲，引起液體溫度上升．(2)結論：對同一個系統(tǒng)，在絕熱過程中，只要所做的電功相等，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同．3．實驗結論：焦耳實驗表明在各種不同的絕熱過程中，要使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由過程的始末兩個狀態(tài)決定，而與做功的方式無關.知識點二、功和內能1．內能：任何一個熱力學系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，它等于系統(tǒng)中所有分子熱運動的動能與分子間相互作用的勢能之和，與系統(tǒng)的溫度和體積有關，是一個狀態(tài)量．我們把這個物理量稱為系統(tǒng)的內能．2．功、內能、內能的變化之間的關系(1)內能與內能的變化①內能在微觀上由分子數(shù)和分子熱運動劇烈程度和相互作用力決定，宏觀上體現(xiàn)為物體的溫度和體積，因此物體的內能是一個狀態(tài)量．②當物體溫度變化時，分子熱運動劇烈程度發(fā)生改變，分子平均動能變化．物體體積變化時，分子間距離變化，分子勢能發(fā)生變化，因此物體的內能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過程及方式無關．(2)做功與內能的變化的關系①當系統(tǒng)從某一狀態(tài)經過絕熱過程到達另一狀態(tài)時，內能的增加量ΔU就等于外界對系統(tǒng)所做的功W，用式子表示為：ΔU＝W.②上式表明：在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內能增加，外界對系統(tǒng)做多少功，系統(tǒng)的內能就增加多少；系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內能減少，系統(tǒng)對外界做多少功，系統(tǒng)的內能就減少多少．(3)功和內能的區(qū)別①功是能量轉化的量度，是過程量，而內能是狀態(tài)量．②做功過程中，能量一定會發(fā)生轉化，而內能不一定變化，只有在絕熱過程中，做功才一定能引起內能的變化．③物體的內能大，并不意味著做功多，只有內能變化大，才可能做功多．知識點三、熱和內能1．熱傳遞(1)定義：熱量從高溫物體傳到低溫物體的過程．(2)條件：相互接觸的兩物體間存在溫度差．2．熱量和內能變化的關系(1)系統(tǒng)在單純的傳熱過程中，內能的增加量ΔU等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q.(2)上式表明：單純地傳熱使物體的內能發(fā)生變化，內能改變的多少可用熱量來量度．單純地對物體傳熱，物體吸收了多少熱量，物體的內能就增加多少；物體放出了多少熱量，物體的內能就減少多少．3．做功和傳熱在改變物體內能上的區(qū)別與聯(lián)系做功傳熱內能變化外界對物體做功，物體的內能增加；物體對外界做功，物體的內能減少物體吸收熱量，內能增加；物體放出熱量，內能減少物理實質其他形式的能與內能之間的轉化不同物體間或同一物體的不同部分之間內能的轉移相互聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內能的效果上是相同的知識點四、溫度、內能和熱量的區(qū)別與聯(lián)系1．內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動的激烈程度，是分子平均動能的標志．物體的溫度升高，其內能一定增加．但向物體傳遞熱量，物體的內能卻不一定增加(可能同時對外做功)．2．熱量和內能內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內能也隨之確定，要使系統(tǒng)的內能發(fā)生變化，可以通過熱傳遞或做功兩種方式來完成，而熱量是熱傳遞過程中的特征物理量，和功一樣，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所遷移的能量，是用來衡量物體內能變化的，有過程，才有變化，離開過程，毫無意義．就某一狀態(tài)而言，只有“內能”，根本不存在什么“熱量”和“功”，因此，不能說一個系統(tǒng)中含有“多少熱量”或“多少功”.知識點五、做功和熱傳遞在改變物體內能上的關系1．兩種方式的區(qū)別做功：其他形式的能和內能之間的轉化。當機械能轉化為內能時，必須通過物體的宏觀運動才能實現(xiàn)。熱傳遞：物體間內能的轉移，即內能從物體的一部分傳到另一部分，或從一個物體傳遞給另一物體。它是在分子相互作用下，通過分子的微觀運動來達到內能的改變的。物體間發(fā)生熱傳遞的必要條件是存在溫度差。在熱傳遞過程中，內能從高溫物體傳遞給低溫物體，使高溫物體內能減少，低溫物體內能增加，最后達到溫度相等。2．兩種方式的聯(lián)系：做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，從它們改變內能的最終結果看，兩者是等效的。典例分析一、做功與內能改變的關系例1如圖所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進一只靈敏溫度計和一根氣針，另一端有個用卡子卡住的可移動的膠塞．用打氣筒慢慢向筒內打氣，使容器內的壓強增加到一定程度，這時讀出溫度計示數(shù)．打開卡子，膠塞沖出容器后()A．溫度計示數(shù)變大，實驗表明氣體對外界做功，內能減少B．溫度計示數(shù)變大，實驗表明外界對氣體做功，內能增加C．溫度計示數(shù)變小，實驗表明氣體對外界做功，內能減少D．溫度計示數(shù)變小，實驗表明外界對氣體做功，內能增加解析根據(jù)功是能量轉化的量度，對外做了多少功，就意味著轉化了多少能量．本例中由于是厚壁容器，打開卡子后，氣體迅速膨脹，這樣的過程可以當作絕熱過程，由此判斷，轉化的應是系統(tǒng)的內能，即氣體對外做功，系統(tǒng)的內能減少，溫度降低．選項C正確．答案C歸納總結：分析絕熱過程的方法：(1)在絕熱的情況下，若外界對系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)內能增加，ΔU為正值；若系統(tǒng)對外界做正功，系統(tǒng)內能減少，ΔU為負值．此過程做功的多少為內能轉化多少的量度．(2)在絕熱過程中，內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)的內能也相應地確定了，內能的變化ΔU也確定了，而功是能量轉化的量度，所以ΔU＝W，即W為恒量，這也是判斷絕熱過程的一種方法．二、對熱傳遞的理解例2下列關于熱傳遞的說法中正確的是()A．熱量是從含熱量較多的物體傳給含熱量較少的物體B．熱量是從溫度較高的物體傳給溫度較低的物體C．熱量是從內能較多的物體傳給內能較少的物體D．熱量是從比熱容大的物體傳給比熱容小的物體解析熱傳遞發(fā)生在有溫度差的兩物體間或物體的兩部分間，且總是從高溫物體(或部分)將熱量傳遞給低溫物體(或部分)，與物體內能的多少、比熱容的大小均無關。答案B自我檢測1．下列哪個實例說明做功改變了系統(tǒng)的內能()A．熱水袋取暖 B．用雙手摩擦給手取暖C．把手放在火爐旁取暖 D．用嘴對手呵氣給手取暖解析雙手摩擦做功，使手的內能增加，感到暖和；A、C、D都是通過熱傳遞來改變系統(tǒng)的內能，選項B正確。答案B2．如圖所示，把浸有乙醚的一小團棉花放在厚玻璃筒的底部，當很快地向下壓活塞時，由于被壓縮的氣體驟然變熱，溫度升高，達到乙醚的燃點，使浸有乙醚的棉花燃燒起來，此實驗的目的是要說明()A．做功可以增加物體的熱量B．做功一定升高物體的溫度C．做功可以改變物體的內能D．做功一定可以增加物體的內能解析迅速向下壓活塞，實際上是在對玻璃氣筒內的氣體做功，由于是迅速向下壓筒內的氣體，做功時間極短，因此實驗過程可認為是絕熱過程(即Q＝0)。乙醚達到燃點而燃燒表明氣體溫度升高內能增大，這說明做功可以改變物體的內能。答案C3．物體獲得一定初速度后，沿著粗糙斜面上滑，在上滑過程中，物體和斜面組成的系統(tǒng)()A．機械能守恒 B．動能與內能之和守恒C．機械能和內能都增加 D．機械能減少，內能增加解析物塊上滑時克服摩擦力做功，物塊損失的機械能轉化為物塊和斜面的內能，因此物塊的溫度會略有升高，內能增加。此題情景就像冬天兩手相互搓搓會感到暖和一樣。答案D4．如圖所示，一定質量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內裝有一可以活動的絕熱活塞。今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體()A．溫度升高，壓強增大，內能減少B．溫度降低，壓強增大，內能減少C．溫度升高，壓強增大，內能增加D．溫度降低，壓強減小，內能增加解析向下壓縮活塞，對氣體做功，氣體的內能增加，溫度升高，對活塞受力分析可得出氣體的壓強增大，故C選項正確。答案C5．英國物理學家焦耳的主要貢獻有()A．發(fā)現(xiàn)了電流通過導體產生熱量的定律，即焦耳定律B．測量了熱和機械功之間的當量關系——熱功當量C．第一次計算了氣體分子的速度D．與W.湯姆孫合作研究了氣體自由膨脹降溫的實驗解析認真閱讀、學習焦耳的有關資料，了解掌握焦耳的有關事跡以及一些科學研究過程，明確物理學家焦耳對自然科學的主要貢獻。答案ABCD6.一定質量的氣體封閉在絕熱的氣缸內，當用活塞壓縮氣體時，一定增大的物理量有(不計氣體分子勢能)()A．氣體體積B．氣體分子密度C．氣體內能D．氣體分子的平均動能解析外力做功，氣體體積減小，分子密度增大，內能增加，溫度升高，分子的平均動能增加。答案BCD7．指出下面例子中通過熱傳遞改變物體內能的是()A．感到手冷時，搓搓手就會覺得暖和些B．擦火柴時，火柴頭上的紅磷溫度升高到紅磷的燃點，火柴燃燒起來C．物體在陽光照射下溫度升高D．反復彎折一根鐵絲，彎折的部分溫度升高解析A、B、D均是通過做功改變物體的內能，C項是通過熱傳遞的方式之一熱輻射來改變物體內能，故C項正確。答案C8．當物體的內能增加時，下列說法正確的是()A．物體一定吸收了熱量B．外界一定對物體做了功C．不可能是物體放出熱量，同時對外做功D．不可能是物體放出熱量，同時外界對物體做功解析系統(tǒng)的內能增加，做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式，外界對系統(tǒng)做功如壓縮乙醚氣體實驗，會使系統(tǒng)內能增加，系統(tǒng)吸收熱量也會使內能增加，反之內能減少，所以系統(tǒng)內能是否增加應看做功和熱傳遞的總效果。故答案為C。答案C9．關于物體的內能和熱量，下列說法中正確的有()A．熱水的內能比冷水的內能多B．溫度高的物體其熱量必定多，內能必定大C．在熱傳遞過程中，內能大的物體其內能將減小，內能小的物體其內能將增大，直到兩物體的內能相等D．熱量是熱傳遞過程中內能轉移的量度解析物體的內能由溫度、體積及物體的質量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內能大小無關，所以完全有可能是內能大的物體內能繼續(xù)增大，內能小的物體內能繼續(xù)減小，故C項錯；關于熱量的論述，D項是正確的。答案D10．在下述現(xiàn)象中，沒有做功而使物體內能改變的是()A．電流通過電爐而使溫度升高B．在陽光照射下，水的溫度升高C．鐵錘敲打鐵塊，使鐵塊溫度升高D．夏天在室內放幾塊冰，室內會變涼快解析電流通過電爐做功使電能轉化為內能；在陽光照射下，水溫度升高是靠太陽的熱輻射來升溫的；鐵錘敲打鐵塊是做功改變物體內能的過程；室內放上冰塊是通過熱傳遞的方式來改變氣溫的。答案BD11．下列說法中正確的是()A．做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種本質不同的物理過程：做功使物體的內能改變，是其他形式的能和內能之間的轉化；熱傳遞則不同，它是物體內能的轉移B．外界對物體做功，物體的內能一定增大C．物體向外界放熱，物體的內能一定增大D．熱量是在熱傳遞中，從一個物體向另一個物體或物體的一部分向另一部分轉移的內能的多少解析做功和熱傳遞改變物體內能的本質不同，因為做功的過程一定是不同形式的能相互轉化的過程，而熱傳遞是同種形式的能量(內能)在不同的物體之間或物體不同的部分之間傳遞或轉移，故A選項正確。而物體的內能的變化取決于做功和熱傳遞兩種途徑，單就一個方面不足以斷定其內能的變化。故B、C選項不正確，D選項正確。答案AD12．(1)遠古時代，取火是一件困難的事，火一般產生于雷擊或磷的自燃。隨著人類文明的進步，出現(xiàn)了“鉆木取火”等方法?！般@木取火”是通過____________方式改變物體的內能，把__________轉變?yōu)閮饶堋?2)某同學做了一個小實驗：先把空的燒瓶放到冰箱冷凍，一小時后取出燒瓶，并迅速把一個氣球緊密的套在瓶頸上，然后將燒瓶放進盛滿熱水的燒杯里，氣球逐漸膨脹起來，如圖。這是因為燒瓶里的氣體吸收了水的______，溫度________，體積________。解析(1)鉆木取火是通過做功方式把機械能轉變?yōu)閮饶堋?2)將燒瓶放進熱水中，燒瓶內的氣體吸熱膨脹。答案(1)做功；機械能(2)熱量；升高；增大13．有一個10m高的瀑布，水流在瀑布頂端時速度為2m/s，在瀑布底與巖石的撞擊過程中，有10%的動能轉化為水的內能，請問水的溫度上升了多少攝氏度？[已知水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)，g取10m/s2]解析根據(jù)機械能守恒定律知，水流到達瀑布底時的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2＋mgh。水吸收熱量Q與溫度變化Δt滿足關系Q＝cmΔt。由題意知，有10%的動能轉化為水的內能，所以(eq\f(1,2)mv2＋mgh)×10%＝cmΔt。代入數(shù)據(jù)得：Δt＝2.4×