2018－2019學(xué)年高中物理 第三章 熱力學(xué)第一定律 第一節(jié) 內(nèi)能 功 熱量講義（含解析）粵教版選修3-3.doc

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內(nèi)能 功 熱量 1．從宏觀上看，物體的內(nèi)能與物體的溫度和體積都有關(guān)系。從微觀看，溫度升高，分子平均動(dòng)能增加，因而物體的內(nèi)能增加，體積變化時(shí)，分子勢(shì)能變化，因而物體的內(nèi)能發(fā)生變化。 2．做功可以改變物體的內(nèi)能，若物體與外界無熱量交換，外界對(duì)物體做功，物體內(nèi)能增加，物體對(duì)外界做功，物體內(nèi)能減少，且做功的多少等于物體內(nèi)能的變化。 3．熱傳遞也可以改變物體的內(nèi)能。高溫物體總是自發(fā)地把它的內(nèi)能傳遞給低溫物體，若熱傳遞過程中沒有做功過程，低溫物體吸收的熱量等于它內(nèi)能的增加，高溫物體放出的熱量等于它內(nèi)能的減少。 4．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但它們的實(shí)質(zhì)不同，做功對(duì)應(yīng)的是其他形式的能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化，熱傳遞是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。 5．焦耳通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了機(jī)械功與所產(chǎn)生的熱量之間的關(guān)系，稱為熱功當(dāng)量，它等于4.18 Jcal－1。 功和內(nèi)能 1.實(shí)驗(yàn)探究 (1)實(shí)驗(yàn)一：如圖1所示，迅速壓下活塞可以使厚壁玻璃筒內(nèi)浸有乙醚的棉花燃燒。 圖1 (2)實(shí)驗(yàn)二：如圖2所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進(jìn)一支靈敏溫度計(jì)和一根氣針，另一端有個(gè)用卡子卡住的可移動(dòng)膠塞。用打氣筒慢慢向容器內(nèi)打氣，使容器內(nèi)的壓強(qiáng)增大到一定程度，這時(shí)讀出溫度計(jì)示數(shù)， 打開卡子，膠塞沖出容器口后，溫度計(jì)示數(shù)明顯變小。 圖2 (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：壓縮氣體對(duì)氣體做功，氣體溫度升高，內(nèi)能增加；氣體對(duì)外做功，氣體溫度降低，內(nèi)能減小。氣體被壓縮或膨脹做功，氣體的內(nèi)能發(fā)生變化。 2．對(duì)功和內(nèi)能關(guān)系的理解 (1)內(nèi)能與內(nèi)能變化的關(guān)系： ①物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的平均動(dòng)能和勢(shì)能之和。因此物體的內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量。 ②當(dāng)物體溫度變化時(shí)，分子平均動(dòng)能變化。物體體積變化時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化，因此物體的內(nèi)能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過程及方式無關(guān)。 (2)做功與內(nèi)能變化的關(guān)系： ①做功改變物體內(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(duì)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。 (3)功和內(nèi)能的區(qū)別： ①功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量。 ②在絕熱過程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化。 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)能變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)著做功較多 (1)設(shè)初態(tài)內(nèi)能為U1，末態(tài)內(nèi)能為U2，內(nèi)能的變化量為ΔU，ΔU＝U2－U1，ΔU>0，內(nèi)能增加；ΔU<0，內(nèi)能減少。 (2)在絕熱過程中ΔU＝W。 1．[多選]改變物體的內(nèi)能的下列方式中，屬于做功的方式的是(　　) A．搓搓手會(huì)感到手暖和些 B．汽油機(jī)汽缸內(nèi)被壓縮的氣體 C．車刀切下的熾熱鐵屑 D．物體在陽光下被曬熱 解析：選ABC　搓手時(shí)克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；汽缸壓縮氣體，對(duì)氣體做功；車刀切削鋼件，克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使切下的鐵屑溫度升高，都是通過做功使物體的內(nèi)能發(fā)生改變。物體在陽光下被曬熱，不屬于做功的方式。 熱和內(nèi)能 1.熱傳遞 (1)定義：高溫物體總是自發(fā)地把它的內(nèi)能傳遞給低溫物體，這種沒有做功而使物體內(nèi)能改變的現(xiàn)象稱為熱傳遞。 (2)方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。 (3)條件：存在溫度差。 2．熱量(Q) 是熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化的量度。 3．熱傳遞改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì) 內(nèi)能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體或者從一個(gè)物體的高溫部分轉(zhuǎn)移到低溫部分，在這個(gè)沒有做功的過程中，吸收熱量的物體內(nèi)能增加，放出熱量的物體內(nèi)能減少，內(nèi)能的變化由熱量來量度，即ΔU＝Q。 4．溫度、內(nèi)能、熱量和功的比較 概念 含義 區(qū)別和聯(lián)系 溫度 表示物體冷熱程度的物理量，是物體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，對(duì)個(gè)別分子來說，溫度沒有意義 (1)溫度和內(nèi)能是狀態(tài)量，熱量和功是過程量，就某一狀態(tài)而言只有內(nèi)能，而無“熱量”和“功” (2)熱傳遞的前提條件是存在溫差，傳遞的是熱量而不是溫度，其實(shí)質(zhì)是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移 (3)可以利用做功和熱傳遞來改變物體的內(nèi)能 內(nèi)能 物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能的總和，是由大量分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子的相對(duì)位置所決定的能 熱量 熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能的改變量，用來量度熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少 功 做功過程是機(jī)械能或其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化過程 (1)做功和熱傳遞均能改變物體的內(nèi)能，僅從內(nèi)能的改變上無法知道系統(tǒng)用的做功還是熱傳遞方式使其內(nèi)能發(fā)生變化的，因此，做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的。 (2)熱傳遞改變物體內(nèi)能的過程是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，做功對(duì)應(yīng)的是其他形式的能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程。 2．下列關(guān)于內(nèi)能與熱量的說法中，正確的是(　　) A．馬鈴薯所含熱量高 B．內(nèi)能越大的物體熱量也越多 C．熱量總是從內(nèi)能大的物體流向內(nèi)能小的物體 D．熱量總是從溫度高的物體流向溫度低的物體 解析：選D　選項(xiàng)A是一種很常見的說法，在日常生活中似無須計(jì)較，但從物理學(xué)的角度來看，卻有不妥，熱量是過程量，不是狀態(tài)量，不能像內(nèi)能那樣蘊(yùn)含在物體中，選項(xiàng)A錯(cuò)；說法B與說法A存在相同的錯(cuò)誤，此外，物體的內(nèi)能與熱量之間，在數(shù)量上沒有必然聯(lián)系，選項(xiàng)B錯(cuò)；兩物體之間熱量的流向只與它們的溫度有關(guān)，與它們的內(nèi)能無關(guān)，選項(xiàng)C錯(cuò)。 做功和內(nèi)能的變化 [例1]　如圖所示，一定質(zhì)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(nèi)裝有一可以活動(dòng)的絕熱活塞?，F(xiàn)對(duì)活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動(dòng)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(qiáng)增大，內(nèi)能減少 B．溫度降低，壓強(qiáng)減小，內(nèi)能減少 C．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能增加 D．溫度降低，壓強(qiáng)減小，內(nèi)能增加 [解析]　由于F對(duì)密閉的氣體做功，容器及活塞絕熱，所以Q＝0，由功和內(nèi)能的關(guān)系知理想氣體內(nèi)能增大，T升高，再根據(jù)＝C，V減小，p增大，選項(xiàng)C正確。 [答案]　C 借　題　 發(fā)　揮 解決這類問題，應(yīng)把握以下兩點(diǎn)： (1)改變內(nèi)能的決定因素，內(nèi)能是宏觀物理量，屬于整個(gè)物體。 (2)做功與內(nèi)能改變的關(guān)系。 對(duì)內(nèi)能、功和熱量的理解 [例2]　物體的內(nèi)能增加了20 J，下列說法中正確的是(　　) A．一定是外界對(duì)物體做了20 J的功 B．一定是物體吸收了20 J的熱量 C．一定是物體分子動(dòng)能增加了20 J D．物體分子的平均動(dòng)能可能不變 [解析]　做功和熱傳遞都可以改變物體內(nèi)能，物體內(nèi)能改變20 J，其方式是不確定的，因此A、B錯(cuò)誤；物體內(nèi)能包括所有分子的平均動(dòng)能和分子勢(shì)能，內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能三者決定，故C錯(cuò)誤。 [答案]　D 借　題 發(fā)　揮 (1)溫度、熱量、功、內(nèi)能是熱學(xué)中的重要概念，是高考考查的重點(diǎn)，正確理解這幾個(gè)概念間的區(qū)別與聯(lián)系，是解決這類問題的關(guān)鍵。 (2)理解概念時(shí)要特別注意： ①溫度不能“傳”，熱量不能“含” ②吸熱不一定升溫(如：晶體的熔化、水的沸騰)。 ③升溫不一定吸熱(也可以通過做功實(shí)現(xiàn))。 ④引起內(nèi)能的變化可能是做功、可能是熱傳遞也可能是兩個(gè)方面共同引起。 1．[多選]用下述方法改變物體的內(nèi)能，屬于做功的方式是(　　) A．在陽光的照射下，水的溫度升高 B．用磨刀石磨刀時(shí)，刀發(fā)熱 C．用電熱器燒水 D．用天然氣燒水 解析：選BC　A項(xiàng)是熱傳遞中的輻射， B中是摩擦力做功，C中是電流做功，D中是燃料燃燒把內(nèi)能轉(zhuǎn)移給水，故B、C正確。 2.如圖所示，把浸有乙醚的一小團(tuán)棉花放在厚玻璃筒的底部，當(dāng)很快地向下壓活塞時(shí)，由于被壓縮的氣體驟然變熱，溫度升高，達(dá)到乙醚的燃點(diǎn)，使浸有乙醚的棉花燃燒起來，此實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且f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(nèi)能 D．做功一定可以增加物體的內(nèi)能 解析：選C　迅速向下壓活塞，實(shí)際上是在對(duì)玻璃氣筒內(nèi)的氣體做功，由于是迅速向下壓筒內(nèi)的氣體，做功時(shí)間極短，因此實(shí)驗(yàn)過程可認(rèn)為是絕熱過程(即Q＝0)。乙醚達(dá)到燃點(diǎn)而燃燒表明氣體溫度升高內(nèi)能增大，這說明做功可以改變物體的內(nèi)能。 3．關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的有(　　) A．熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能多 B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大 C．在熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將增大，直到兩物體的內(nèi)能相等 D．熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度 解析：選D　物體的內(nèi)能由溫度、體積及物體的質(zhì)量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯(cuò)；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(nèi)能大小無關(guān)，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大，內(nèi)能小的物體內(nèi)能繼續(xù)減小，故C項(xiàng)錯(cuò)；關(guān)于熱量的論述，D項(xiàng)是正確的。 4．關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是(　　) A．熱傳遞的實(shí)質(zhì)是溫度的傳遞 B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞 C．熱傳遞可以在任何情況下發(fā)生 D．熱傳遞是內(nèi)能大的傳給內(nèi)能小的 解析：選B　熱傳遞的實(shí)質(zhì)是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，不是傳遞溫度，A錯(cuò)誤；熱傳遞是內(nèi)能從高溫物體傳遞到低溫物體，必須存在溫差，B正確，C錯(cuò)誤；內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，內(nèi)能大的不一定是高溫物體，D錯(cuò)誤。 5．[多選]關(guān)于改變物體的內(nèi)能，下列說法正確的是(　　) A．做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種本質(zhì)不同的物理過程 B．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增大 C．物體對(duì)外界放熱，物體的內(nèi)能一定增大 D．熱量是在熱傳遞中，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AD　做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種本質(zhì)不同的方法，做功的過程是不同形式的能相互轉(zhuǎn)化的過程，而熱傳遞是同種形式的能(內(nèi)能)在物體間或物體的各部分間的轉(zhuǎn)移，A正確；物體內(nèi)能的變化取決于做功和熱傳遞兩種途徑，單憑一方面不足以判斷其內(nèi)能的變化，B、C錯(cuò)誤；根據(jù)熱量的概念可知D正確。 6．[多選]關(guān)于內(nèi)能和機(jī)械能，下面說法正確的是(　　) A．機(jī)械能越大的物體，其內(nèi)能也越大 B．當(dāng)物體的機(jī)械能發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)能也發(fā)生變化 C．任何物體都有內(nèi)能，但物體機(jī)械能可以為零 D．兩物體發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r，機(jī)械能減小，內(nèi)能增大 解析：選CD　內(nèi)能和機(jī)械能是兩種不同形式的能，無必然聯(lián)系，A、B錯(cuò)誤；由內(nèi)能和機(jī)械能的概念可知任何物體都有內(nèi)能，但可以無機(jī)械能，C正確；兩物體發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即摩擦生熱，D正確。 7．[多選](山東高考)如圖，內(nèi)壁光滑、導(dǎo)熱良好的氣缸中用活塞封閉有一定質(zhì)量的理想氣體。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，缸內(nèi)氣體(　　) A．內(nèi)能增加 B．對(duì)外做功 C．壓強(qiáng)增大 D．分子間的引力和斥力都增大 解析：選AB　根據(jù)一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能只決定于溫度，處在導(dǎo)熱氣缸中的理想氣體由于外界環(huán)境溫度升高，理想氣體的內(nèi)能要增大，所以選項(xiàng)A正確；再根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程：＝C可知，氣體壓強(qiáng)不變，當(dāng)溫度升高時(shí)，體積要增大，因此氣體要對(duì)外做功，所以選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；理想氣體沒有分子間的相互作用力，因此分子間的作用力始終為零，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 8．采用絕熱(即不交換熱量)的方式使一定量的氣體由初態(tài)A變化至終態(tài)B，對(duì)于不同的絕熱方式，下列說法正確的是(　　) A．對(duì)氣體所做的功也不同 B．對(duì)氣體所做的功都相同 C．對(duì)氣體不需做功，因?yàn)闆]有熱量的傳遞 D．以上三種說法都不對(duì) 解析：選B　絕熱過程ΔU＝W，這里氣體的狀態(tài)由初態(tài)A變到終態(tài)B，由于A，B兩狀態(tài)確定，所以不論采用什么絕熱方式，初態(tài)A的內(nèi)能有一確定值UA，終態(tài)B的內(nèi)能也有確定值UB，故W＝UB－UA為恒量，故B項(xiàng)正確。 9．[多選]如圖所示為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置簡圖，用絕熱良好的材料將容器包好，重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高，關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是(　　) A．這個(gè)裝置可測(cè)定熱功當(dāng)量 B．做功增加了水的熱量 C．做功增加了水的內(nèi)能 D．功和熱量是完全等價(jià)的，無區(qū)別 解析：選AC　可通過重力做功與水溫升高吸收的熱量，測(cè)定熱功當(dāng)量，做功增加了水的內(nèi)能，而熱量只是熱傳遞過程中內(nèi)能改變的量度，所以功與熱量是不同的。故選A、C。 10.如圖所示，固定容器以及可動(dòng)活塞P都是絕熱的，中間有一個(gè)導(dǎo)熱的可動(dòng)隔板B，B的兩邊分別盛有氣體甲和乙，現(xiàn)將活塞P緩慢地向B移動(dòng)一段距離，已知?dú)怏w的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高，則在P移動(dòng)的過程中(　　) A．甲的內(nèi)能不變、乙的內(nèi)能不變 B．甲的內(nèi)能增加，乙的內(nèi)能不變 C．甲的內(nèi)能增加，乙的內(nèi)能增加 D．隔板B與活塞P移動(dòng)的距離相等 解析：選C　隔板B固定且導(dǎo)熱，當(dāng)活塞向B移動(dòng)的過程中，外力做功，氣體乙的內(nèi)能增加，溫度升高，乙通過導(dǎo)熱板B向氣體甲傳遞熱量，因此甲的內(nèi)能增加，因此選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤，乙的內(nèi)能增加體積應(yīng)減小，所以P移動(dòng)的距離大于B移動(dòng)的距離，D錯(cuò)誤。 11．[多選]一銅塊和一鐵塊，質(zhì)量相等，銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高，當(dāng)它們接觸在一起時(shí)，如果不和外界交換能量，則(　　) A．從兩者開始接觸到熱平衡的整個(gè)過程中，銅塊內(nèi)能的減少量等于鐵塊內(nèi)能的增加量 B．在兩者達(dá)到熱平衡以前的任意一段時(shí)間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的減少量不等于鐵塊內(nèi)能的增加量 C．達(dá)到熱平衡時(shí)，銅塊的溫度T＝ D．達(dá)到熱平衡時(shí)，兩者的溫度相等 解析：選AD　一個(gè)系統(tǒng)在熱交換的過程中，如果不與外界發(fā)生熱交換，溫度高的物體放出的熱量等于溫度低的物體吸收的熱量，直到溫度相等，不再發(fā)生熱交換為止．而熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能的變化量，所以選項(xiàng)A和D都正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。 根據(jù)熱平衡方程c銅m(T1－T)＝c鐵m(T－T2)，解得T＝，由此可知選項(xiàng)C是錯(cuò)誤的。 12.如圖所示的容器中，A、B各有一個(gè)可自由移動(dòng)的活塞，活塞下面是水，上面大氣壓恒定，A 、B的底部由帶閥門的管道相連，整個(gè)裝置絕熱。原先A中的水面比B中的高，打開閥門，A中的水向B流動(dòng)，最后達(dá)到平衡，在這個(gè)過程中(　　) A．水的內(nèi)能不變　　　　　　 B．水的內(nèi)能減小 C．水的內(nèi)能增大 D．無法判斷 解析：選C　打開閥門，水的重心降低，重力對(duì)水做正功，系統(tǒng)又絕熱，故水的內(nèi)能增大，C正確。 13.如圖所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度大，B的密度較小，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設(shè)在此過程中氣體吸熱Q，氣體內(nèi)能增量為ΔE，則(　　) A．ΔE＝Q B．ΔEQ D．無法比較 解析：選C　抽去隔板前，A、B氣體的整體重心在中線以上，抽去隔板待氣體混合均勻后，重心恰好在中線上，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少，由能量守恒定律知，減少的重力勢(shì)能與內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)化而使得內(nèi)能增加，吸收的熱量也使得內(nèi)能增加，則氣體內(nèi)能的增量大于氣體所吸收的熱量。 14．某同學(xué)想要估測(cè)每秒鐘太陽輻射到地球表面上的能量，他用一個(gè)橫截面積S＝3.2 dm2的保溫圓筒，內(nèi)裝有質(zhì)量為m＝0.4 kg的水，讓太陽光垂直照射t＝3 min，水升高的溫度Δt＝2.2 ℃，已知水的比熱容c＝4.2103 J/(kg℃)，地球半徑為R＝6 400 km，試求出太陽向地球表面輻射能量的功率。 解析：太陽輻射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.21030.42.2 J≈3.7103 J。 太陽光在1 s內(nèi)垂直照射到1 m2面積上的功率P＝＝ J/(m2s)≈6.4102 J/(m2s)。 太陽向地球表面輻射能量的功率 P′＝PπR2＝6.41023.14(6 400103)2 W≈8.21016 W。 答案：8.21016 W