2018-2019學年高中物理 第三章 熱力學第一定律 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,分子平均動能增加,因而物體的內(nèi)能增加,體積變化時,分子勢能變化,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,外界對物體做功,物體內(nèi)能增加,物體對外界做功,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,但它們的實質(zhì)不同,做功對應(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.焦耳通過實驗測定了機械功與所產(chǎn)生的熱量之間的關(guān)系,稱為熱功當量,它等于4.18 Jcal-1。 功和內(nèi)能 1.實驗探究 (1)實驗一: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)實驗二:如圖2所示,厚壁容器的一端通過膠塞插進一支靈敏溫度計和一根氣針,另一端有個用卡子卡住的可移動膠塞。用打氣筒慢慢向容器內(nèi)打氣,使容器內(nèi)的壓強增大到一定程度,這時讀出溫度計示數(shù), 打開卡子,膠塞沖出容器口后,溫度計示數(shù)明顯變小。 圖2 (3)實驗結(jié)論:壓縮氣體對氣體做功,氣體溫度升高,內(nèi)能增加;氣體對外做功,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)所有分子的平均動能和勢能之和。因此物體的內(nèi)能是一個狀態(tài)量。 ②當物體溫度變化時,分子平均動能變化。物體體積變化時,分子勢能發(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。 (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,對應(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.搓搓手會感到手暖和些 B.汽油機汽缸內(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 搓手時克服摩擦力做功,機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;汽缸壓縮氣體,對氣體做功;車刀切削鋼件,克服摩擦力做功,機械能轉(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)能的實質(zhì) 內(nèi)能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者從一個物體的高溫部分轉(zhuǎn)移到低溫部分,在這個沒有做功的過程中,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,是物體分子平均動能的標志,是大量分子熱運動的集體表現(xiàn),對個別分子來說,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)所有分子的動能和勢能的總和,是由大量分子的熱運動和分子的相對位置所決定的能 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A是一種很常見的說法,在日常生活中似無須計較,但從物理學的角度來看,卻有不妥,熱量是過程量,不是狀態(tài)量,不能像內(nèi)能那樣蘊含在物體中,選項A錯;說法B與說法A存在相同的錯誤,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B錯;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C錯。 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)裝有一可以活動的絕熱活塞?,F(xiàn)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(nèi)能減少 B.溫度降低,壓強減小,內(nèi)能減少 C.溫度升高,壓強增大,內(nèi)能增加 D.溫度降低,壓強減小,內(nèi)能增加 [解析] 由于F對密閉的氣體做功,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: (1)改變內(nèi)能的決定因素,內(nèi)能是宏觀物理量,屬于整個物體。 (2)做功與內(nèi)能改變的關(guān)系。 對內(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.一定是物體分子動能增加了20 J D.物體分子的平均動能可能不變 [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錯誤;物體內(nèi)能包括所有分子的平均動能和分子勢能,內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動能、分子勢能三者決定,故C錯誤。 [答案] D 借 題 發(fā) 揮 (1)溫度、熱量、功、內(nèi)能是熱學中的重要概念,是高考考查的重點,正確理解這幾個概念間的區(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,刀發(fā)熱 C.用電熱器燒水 D.用天然氣燒水 解析:選BC A項是熱傳遞中的輻射, 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?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,實際上是在對玻璃氣筒內(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(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;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項錯;關(guān)于熱量的論述,D項是正確的。 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 熱傳遞的實質(zhì)是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,不是傳遞溫度,A錯誤;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錯誤;內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和,內(nèi)能大的不一定是高溫物體,D錯誤。 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.外界對物體做功,物體的內(nèi)能一定增大 C.物體對外界放熱,物體的內(nèi)能一定增大 D.熱量是在熱傳遞中,從一個物體向另一個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)能和機械能,下面說法正確的是( ) A.機械能越大的物體,其內(nèi)能也越大 B.當物體的機械能發(fā)生變化時,其內(nèi)能也發(fā)生變化 C.任何物體都有內(nèi)能,但物體機械能可以為零 D.兩物體發(fā)生滑動摩擦時,機械能減小,內(nèi)能增大 解析:選CD 內(nèi)能和機械能是兩種不同形式的能,無必然聯(lián)系,A、B錯誤;由內(nèi)能和機械能的概念可知任何物體都有內(nèi)能,但可以無機械能,C正確;兩物體發(fā)生滑動摩擦時,機械能轉(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。當環(huán)境溫度升高時,缸內(nèi)氣體( ) A.內(nèi)能增加 B.對外做功 C.壓強增大 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A正確;再根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程:=C可知,氣體壓強不變,當溫度升高時,體積要增大,因此氣體要對外做功,所以選項B正確,C錯誤;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選項錯誤。 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,對于不同的絕熱方式,下列說法正確的是( ) A.對氣體所做的功也不同 B.對氣體所做的功都相同 C.對氣體不需做功,因為沒有熱量的傳遞 D.以上三種說法都不對 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項正確。 9.[多選]如圖所示為焦耳實驗裝置簡圖,用絕熱良好的材料將容器包好,重物下落帶動葉片攪拌容器里的水,引起水溫升高,關(guān)于這個實驗,下列說法正確的是( ) A.這個裝置可測定熱功當量 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,測定熱功當量,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,固定容器以及可動活塞P都是絕熱的,中間有一個導(dǎo)熱的可動隔板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移動一段距離,已知氣體的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高,則在P移動的過程中( ) 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移動的距離相等 解析:選C 隔板B固定且導(dǎo)熱,當活塞向B移動的過程中,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C正確,選項A、B錯誤,乙的內(nèi)能增加體積應(yīng)減小,所以P移動的距離大于B移動的距離,D錯誤。 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,當它們接觸在一起時,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.在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內(nèi),銅塊內(nèi)能的減少量不等于鐵塊內(nèi)能的增加量 C.達到熱平衡時,銅塊的溫度T= D.達到熱平衡時,兩者的溫度相等 解析:選AD 一個系統(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A和D都正確,選項B錯誤。 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C是錯誤的。 12.如圖所示的容器中,A、B各有一個可自由移動的活塞,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,最后達到平衡,在這個過程中( ) 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)的重力勢能減少,由能量守恒定律知,減少的重力勢能與內(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.某同學想要估測每秒鐘太陽輻射到地球表面上的能量,他用一個橫截面積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
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