山東省專用2024-2025學年高中物理第十章熱力學定律第12節(jié)功和內(nèi)能熱和內(nèi)能講義含解析新人教版選修3-3

PAGE1-第1、2節(jié)功和內(nèi)能熱和內(nèi)能1.絕熱過程：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，也不向外界放熱的過程。2．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，即ΔU＝W。3．熱傳遞：熱量從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，或從高溫物體傳遞給低溫物體的過程。4．系統(tǒng)在單純的傳熱過程中，內(nèi)能的增量ΔU等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q。5．做功和熱傳遞是變更內(nèi)能的兩種方式且具有等效性，但二者實質(zhì)不同。一、焦耳的試驗1．絕熱過程系統(tǒng)只通過對外界做功或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。2．代表試驗(1)重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫度上升。(2)通過電流的熱效應給水加熱。3．試驗結(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狀態(tài)確定，而與做功的方式無關(guān)。二、功和內(nèi)能1．內(nèi)能的概念(1)內(nèi)能是描述熱力學系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量。(2)在絕熱過程中做功可以變更熱力學系統(tǒng)所處的狀態(tài)。2．絕熱過程中內(nèi)能的變更(1)表達式：ΔU＝W。(2)外界對系統(tǒng)做功，W為正；系統(tǒng)對外界做功，W為負。三、熱和內(nèi)能1．熱傳遞(1)條件：物體的溫度不同。(2)過程：溫度不同的物體發(fā)生熱傳遞，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，熱量從高溫物體傳到低溫物體。(3)熱傳遞的三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。2．熱和內(nèi)能(1)單純地對系統(tǒng)傳熱也能變更系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)，即熱傳遞能變更物體的內(nèi)能。(2)熱量：在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變更的量度。(3)單純的傳熱過程中內(nèi)能的變更。①公式：ΔU＝Q。②物體吸熱，Q為正；物體放熱，Q為負。1．自主思索——判一判(1)溫度高的物體含有的熱量多。(×)(2)內(nèi)能大的物體含有的熱量多。(×)(3)熱量肯定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體。(×)(4)做功和熱傳遞都可變更物體的內(nèi)能，從效果上是等效的。(√)(5)在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功小于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量。(×)(6)熱傳遞只能發(fā)生在兩個物體間，同一物體不能發(fā)生熱傳遞。(×)2．合作探究——議一議(1)焦耳的熱功當量試驗和電流熱效應給水加熱的試驗中做功的方式相同嗎？你能得出什么結(jié)論？提示：不同。在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的變更與做功方式無關(guān)，僅與做功多少有關(guān)。(2)用錘子反復敲打一塊鐵，鐵塊會發(fā)生怎樣的變更？為什么？提示：鐵塊的溫度上升，同時會發(fā)生形變，在敲打鐵塊的過程中，錘頭對鐵塊做功，使鐵塊的內(nèi)能增加，溫度上升。鐵塊由于受到力的作用，會發(fā)生形變。(3)熱傳遞是熱量從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體嗎？提示：不是。熱傳遞是熱量從高溫物體傳向低溫物體，并非從內(nèi)能多的物體傳向內(nèi)能少的物體。功和內(nèi)能的關(guān)系1．功和內(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，做功肯定能引起內(nèi)能的變更。(3)物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多。只有在絕熱過程中，內(nèi)能變更較大時，對應著做功較多。2．功和內(nèi)能的關(guān)系(1)做功可以變更系統(tǒng)的內(nèi)能，功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度。在國際單位制中，內(nèi)能和功的單位都是焦耳。(2)絕熱過程中功和內(nèi)能變更的關(guān)系當系統(tǒng)從某一狀態(tài)經(jīng)過絕熱過程達到另一狀態(tài)時，內(nèi)能的變更量ΔU就等于外界對系統(tǒng)所做的功W，即ΔU＝U2－U1＝W。即在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加，外界對系統(tǒng)做多少功，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少；系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能削減，系統(tǒng)對外界做多少功，系統(tǒng)的內(nèi)能就削減多少。3．做功變更物體內(nèi)能的實質(zhì)做功變更物體內(nèi)能的過程是將其他形式的能(如機械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程，做功使物體內(nèi)能發(fā)生變更時，內(nèi)能變更了多少用做功的數(shù)值來度量。1．[多選]變更物體的內(nèi)能的下列方式中，屬于做功的方式的是()A．搓搓手會感到手溫煦些B．汽油機汽缸內(nèi)被壓縮的氣體C．車刀切下的炙熱鐵屑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，使切下的鐵屑溫度上升，都是通過做功使物體的內(nèi)能發(fā)生變更。物體在陽光下被曬熱，不屬于做功的方式。2．采納絕熱的方式使肯定量的氣體由初狀態(tài)A變更至末狀態(tài)B。對于不同的絕熱方式，下列說法正確的是()A．對氣體所做的功不同B．對氣體所做的功相同C．對氣體不做功，因為沒有能量的傳遞D．以上三種說法都不對解析：選B對于肯定質(zhì)量的氣體，不管采納任何一種絕熱方式由狀態(tài)A變更到狀態(tài)B，都是絕熱過程。在這一過程中，氣體在初狀態(tài)A有一確定的內(nèi)能UA，在狀態(tài)B有另一確定的內(nèi)能UB，由絕熱過程中ΔU＝UB－UA＝W知，W為恒量，所以B正確。3.[多選]如圖為焦耳試驗裝置圖，用絕熱性能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，引起水溫上升。關(guān)于這個試驗，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)分解析：選AC將做功過程和吸熱過程在同等條件下比較，可測出熱功當量，故A正確；做功增加了水的內(nèi)能，熱量只是熱傳遞過程中內(nèi)能變更的量度，故B錯誤，C正確；做功和傳熱產(chǎn)生的效果相同，但功和熱量是不同的概念，D錯誤。熱傳遞與內(nèi)能的關(guān)系1．熱傳遞與內(nèi)能變更的關(guān)系(1)在單純熱傳遞中，系統(tǒng)從外界汲取多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少，即Q吸＝ΔU。(2)在單純熱傳遞中，系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就削減多少，即Q放＝－ΔU。(3)熱傳遞變更物體內(nèi)能的過程是物體間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過程，熱傳遞使物體的內(nèi)能發(fā)生變更時，內(nèi)能變更的多少可用熱量來量度。2．變更內(nèi)能的兩種方式的比較做功熱傳遞內(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)系做肯定量的功或傳遞肯定量的熱量在變更內(nèi)能的效果上是相同的3．對溫度、內(nèi)能、熱量和功的比較概念含義區(qū)分和聯(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記，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變更物體的內(nèi)能內(nèi)能物體內(nèi)全部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確定的能熱量熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能的變更量，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．以下所述現(xiàn)象中，屬于通過熱傳遞變更了物體內(nèi)能的是()A．將一段鐵絲反復彎折，彎折處會發(fā)熱B．放在空氣中的一杯熱水會冷卻C．在轉(zhuǎn)動的砂輪上磨車刀，車刀發(fā)熱D．電流通過電阻絲解析：選B不論物體是發(fā)熱還是冷卻，物體的溫度都發(fā)生了變更，都是內(nèi)能的變更。彎折鐵絲是用力對物體做功，在轉(zhuǎn)動的砂輪上磨車刀是摩擦力對車刀做功，電流通過電阻絲并做功，所以三者都是通過做功變更物體內(nèi)能的，熱水放在空氣中，通過熱輻射以及對流等方式向外傳遞了熱量，而使自身的內(nèi)能削減，溫度下降，它是通過熱傳遞方式變更內(nèi)能的，所以應選B。2．物體的內(nèi)能增加了20J，下列說法中正確的是()A．肯定是外界對物體做了20J的功B．肯定是物體汲取了20J的熱量C．肯定是物體分子動能增加了20JD．物體分子的平均動能可能不變解析：選D做功和熱傳遞都可以變更物體內(nèi)能，物體內(nèi)能變更20J，其方式是不確定的，因此A、B錯誤；物體內(nèi)能包括全部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、分子勢能三者確定，故C錯誤。3．關(guān)于物體的內(nèi)能以及變更，以下說法正確的是()A．物體的溫度變更時，其內(nèi)能必定變更B．物體對外做功，其內(nèi)能不肯定變更；向物體傳遞熱量，其內(nèi)能也不肯定變更C．物體對外做功，其內(nèi)能必定變更，物體向外傳出肯定熱量其內(nèi)能必定變更D．若物體與外界不發(fā)生熱交換，則物體的內(nèi)能必定不變更解析：選B肯定質(zhì)量的物體，其內(nèi)能由溫度和體積共同確定。物體的溫度變更時，其內(nèi)能不肯定變更，所以A錯誤；做功和熱傳遞是變更物體內(nèi)能的兩種方式。若物體對外做功為W，同時汲取的熱量為Q，且若W>Q，則物體的內(nèi)能削減；若W＝Q，則物體的內(nèi)能不變；若W<Q，則物體的內(nèi)能增加。所以B正確，C、D錯誤。1．[多選]下列說法中正確的是()A．做功和熱傳遞是變更物體內(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)能肯定增大C．物體向外界放熱，物體的內(nèi)能肯定增大D．熱量是在熱傳遞過程中，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)移的內(nèi)能的多少解析：選AD做功和熱傳遞變更物體內(nèi)能的本質(zhì)不同，因為做功的過程肯定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選項正確。物體內(nèi)能的變更有做功和熱傳遞兩種途徑，單就一個方面不足以斷定其內(nèi)能的變更，故B、C選項不正確，D選項正確。2．[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，假如不和外界交換能量，則()A．從兩者起先接觸到熱平衡的整個過程中，銅塊內(nèi)能的削減量等于鐵塊內(nèi)能的增加量B．在兩者達到熱平衡以前的隨意一段時間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的削減量不等于鐵塊內(nèi)能的增加量C．達到熱平衡時，銅塊的溫度T＝eq\f(T1＋T2,2)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，假如不與外界發(fā)生熱交換，溫度高的物體放出的熱量等于溫度低的物體汲取的熱量，直到溫度相等，不再發(fā)生熱交換為止，而熱量是傳熱過程中內(nèi)能的變更量，所以選項A和D都正確，選項B錯誤。依據(jù)熱平衡方程：c銅m(T1－T)＝c鐵m(T－T2)，解得T＝eq\f(c銅T1＋c鐵T2,c銅＋c鐵)，由此可知選項C錯誤。3．[多選]對于熱量、功和內(nèi)能三者的下列說法中正確的是()A．三者單位相同，物理意義相同B．熱量和功是內(nèi)能的量度C．熱量和功由過程確定，而內(nèi)能由物體狀態(tài)確定D．系統(tǒng)內(nèi)能增加了100J，可能是外界采納絕熱方式對系統(tǒng)做功100J，也可能是外界單純地對系統(tǒng)傳熱100J解析：選CD熱量、功和內(nèi)能三者盡管單位相同，但物理意義有本質(zhì)區(qū)分，A錯。熱量和功由過程確定，內(nèi)能由物體狀態(tài)確定，熱量和功是內(nèi)能變更的量度，C對，B錯。對一個絕熱過程ΔU＝W＝100J，對一個單純熱傳遞過程ΔU＝Q＝100J，D對。4.如圖所示，肯定質(zhì)量的志向氣體密封在絕熱(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。若忽視活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體()A．溫度上升，壓強增大，內(nèi)能削減B．溫度降低，壓強減小，內(nèi)能削減C．溫度上升，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：選C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)系知志向氣體內(nèi)能增大，T上升，再依據(jù)eq\f(pV,T)＝C，V減小，p增大，選項C正確。5.如圖所示，活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，汽缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣。以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內(nèi)能，則在將拉桿緩慢向左拉的過程中()A．E甲不變，E乙減小 B．E甲不變，E乙增大C．E甲增大，E乙不變 D.E甲增大，E乙減小解析：選D接觸面是絕熱面，拉動拉桿，對乙部分氣體來講，系統(tǒng)對外界做功，內(nèi)能減小，溫度降低；對甲部分氣體來講，外界對系統(tǒng)做功，內(nèi)能增加，故D對。6．[多選](2024·全國卷Ⅱ)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有志向氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是()A．氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動能不變解析：選ABD抽開隔板，氣體自發(fā)擴散過程中，氣體對外界不做功，與外界沒有熱交換，因此氣體的內(nèi)能不變，A項正確，C項錯誤；氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功，D項正確；由于氣體與外界沒有熱交換，氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大，因此氣體的溫度上升，氣體分子的平均動能增大，B項正確，E項錯誤。7．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＝3.2dm2的保溫圓筒，內(nèi)裝有質(zhì)量為m＝0.4kg的水，讓太陽光垂直照耀t＝3min，水上升的溫度Δt＝2.2℃，已知水的比熱容c＝4.2×103J/(kg·℃)，地球半徑為R＝6400km，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＝4.2×103×0.4×2.2J≈3.7×103J。太陽光在1s內(nèi)垂直照耀到1m2面積上的功率P＝eq\f(Q,S