功、熱和內(nèi)能的改變【課堂精講+能力提升】 高中物理 備課精研（人教版2019選擇性必修第三冊）

第1節(jié)功、熱和內(nèi)能的改變第三章

人教版

選擇性必修第三冊焦耳的實驗01功與內(nèi)能的改變02熱與內(nèi)能的改變03典例分析04新課導(dǎo)入在空氣壓縮引火儀底部放置少量的硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，可以觀察到硝化棉燃燒的火苗。為什么筒底的硝化棉會被點燃呢？你能解釋這個現(xiàn)象嗎？分析：用活塞壓縮空氣對空氣做功，空氣內(nèi)能增大，溫度升高，達到燃點棉花燃燒。實驗視頻想一想冬天搓手可使雙手變暖；向手吹氣也可使雙手變暖，是什么原因使溫度發(fā)生了變化呢？改變系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)的方法：做功和傳熱（熱傳遞）

1818年12月24日生于英國曼徹斯特，起初研究電學(xué)和磁學(xué),從1840年開始，英國物理學(xué)家焦耳進行了多種多樣的實驗，以求精確測定外界對系統(tǒng)做功和傳熱對于系統(tǒng)狀態(tài)的影響，以及功與熱的相互關(guān)系（熱功當(dāng)量）。這項研究工作為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。焦耳在做熱功當(dāng)量實驗熱功當(dāng)量實驗傳熱做功實驗視頻焦耳的實驗PART01⑴實驗裝置⑵實驗原理重物下落帶動輪葉旋轉(zhuǎn)，通過攪拌對絕熱容器內(nèi)的液體做功，使液體升溫，即狀態(tài)發(fā)生變化.焦耳熱功當(dāng)量實驗裝置——對系統(tǒng)做機械功1、實驗1⑶研究對象——熱力學(xué)系統(tǒng)：容器中的水——封閉系統(tǒng)：與外界沒有物質(zhì)交換，但有能量交換。⑷狀態(tài)變化過程系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，（只由于外界對它做功而與外界交換能量）系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱。絕熱過程：⑸焦耳的多次實驗測量結(jié)論盡管各次懸掛重物的質(zhì)量不同，下落的高度也不一樣，但只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化是相同的。焦耳實驗⑴實驗裝置⑵實驗原理讓正在下降的重物帶動發(fā)電機發(fā)電，電流通過浸在液體中的電阻絲，由電流的熱效應(yīng)給液體加熱，使液體溫度上升。對于同一個系統(tǒng)，如果過程是絕熱的，那么不管通過電阻絲的電流或大或小、通電時間或長或短，只要所做的電功相等，則系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)的狀態(tài)就發(fā)生了同樣的變化。⑶焦耳的多次實驗測量結(jié)論焦耳熱功當(dāng)量實驗裝置——對系統(tǒng)做電功2、實驗2實驗1重物下落重力做功葉片攪拌容器中的水水與葉片摩擦而溫度上升系統(tǒng)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2T1T2實驗2系統(tǒng)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2T1T2電機發(fā)電電熱絲發(fā)熱發(fā)熱絲對水加熱溫度上升重物下落重力做功做功的數(shù)量只由過程始末兩個狀態(tài)1、2決定，而與重物的質(zhì)量、做功的次數(shù)無關(guān)。系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化做功的數(shù)量只由過程始末兩個狀態(tài)1、2決定，而與做功的方式無關(guān)。3、焦耳的這些實驗結(jié)論綜上所述：在各種不同的絕熱過程中，如果使系統(tǒng)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，所需外界做功的數(shù)量是相同的.也就是說，在各種不同的絕熱過程中，要使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由始末兩個狀態(tài)決定，而與做功方式無關(guān).

盡管第一個實驗重物質(zhì)量或下落高度可能不同，第二個實驗各次通電時間和電流大小可能不同，做功方式及做功的具體過程也不同，但只要外界對系統(tǒng)做功的數(shù)值相同，系統(tǒng)上升的溫度一定相同。始末狀態(tài)，是不是似曾相識焦耳的實驗結(jié)論

在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功僅由過程的始末兩個狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。類比思考：哪些力做功僅由物體的起點和終點兩個位置決定，與物體的運動路徑無關(guān)？重力電場力重力做功對應(yīng)重力勢能電場力做功對應(yīng)電勢能（電能）★熱功當(dāng)量：做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。焦耳的實驗結(jié)論任何一個熱力學(xué)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，這個物理量在初末兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系.我們把這個物理量稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。⑵微觀定義（分子動理論對內(nèi)能的定義）：物體中所有分子的熱運動動能和分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能。⑴宏觀定義（熱力學(xué)對內(nèi)能的定義）：

任何一個熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的一種能量，這種能量叫做系統(tǒng)的內(nèi)能。微觀：分子熱運動的激烈程度、分子間距、分子數(shù)。系統(tǒng)的內(nèi)能U宏觀：溫度、體積、物質(zhì)的量（狀態(tài)）。4、內(nèi)能U如圖所示是焦耳研究熱與功之間關(guān)系的兩個典型實驗，下列說法正確的是(

)小試牛刀A．系統(tǒng)狀態(tài)的改變只能通過傳熱來實現(xiàn)B．系統(tǒng)狀態(tài)的改變只能通過做功來實現(xiàn)C．在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變與做功方式無關(guān)，僅與做功數(shù)量有關(guān)D．在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變不僅與做功方式有關(guān)，還與做功數(shù)量有關(guān)C功與內(nèi)能的改變PART02在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達到狀態(tài)2。ΔU=U2-U1ΔU=W系統(tǒng)內(nèi)能增量外界對系統(tǒng)所做的功WQ=0U1U2對絕熱系統(tǒng)做功：當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達到狀態(tài)2時，內(nèi)能的增加量△U=U2-U1就等于外界對系統(tǒng)所做的功W，即?U=W。說明：內(nèi)能與內(nèi)能變化(1)物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子熱運動的動能和分子勢能之和。(2)當(dāng)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，即物體的內(nèi)能是由它的狀態(tài)決定的，且物體的內(nèi)能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過程及方式無關(guān)。

如果一個熱學(xué)過程的狀態(tài)變化發(fā)生得極快、經(jīng)歷時間很短，系統(tǒng)與外界交換的熱量就很少，即系統(tǒng)與外界來不及交換熱量，這樣的過程若不計傳遞的熱，可以看成絕熱過程。W>0，ΔU>0內(nèi)能增加壓燃實驗1、外界對系統(tǒng)做功：取一個透明塑料瓶，向瓶內(nèi)注入少量的水。將橡膠塞打孔，安裝上氣門嘴，再用橡膠塞把瓶口塞緊，并向瓶內(nèi)打氣，觀察橡膠塞跳出時瓶內(nèi)的變化。當(dāng)橡膠塞跳出時，瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧。實驗現(xiàn)象做一做

以瓶內(nèi)氣體為研究對象，橡膠塞跳出后，瓶內(nèi)的氣體迅速膨脹，系統(tǒng)對外做功，因此，氣體的內(nèi)能迅速減少，瓶內(nèi)氣體溫度迅速下降，瓶內(nèi)水蒸氣液化，就會出現(xiàn)大量的霧狀小水滴。W<0，ΔU<0內(nèi)能減小熱力學(xué)系統(tǒng)——瓶內(nèi)氣體狀態(tài)變化過程——絕熱過程

熱學(xué)過程的狀態(tài)變化發(fā)生得極快、經(jīng)歷時間很短，系統(tǒng)與外界交換的熱量就很少，即系統(tǒng)與外界來不及交換熱量，這樣的過程若不計傳遞的熱，可以看成絕熱過程。ΔU=W氣體膨脹，系統(tǒng)對外做功內(nèi)能↓，溫度↓，液化，霧狀2、系統(tǒng)對外界做功：(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；物體對外界做多少功，就有多少內(nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，物體的內(nèi)能就減少多少；物理量符號意義符號意義WΔU系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功內(nèi)能增加內(nèi)能減少+ΔU>0－ΔU<0在絕熱過程中，功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度：?U=W說明：做功與內(nèi)能變化的關(guān)系(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。特別提醒(1)外界對某一系統(tǒng)做功時，系統(tǒng)的內(nèi)能不一定增加，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。注意：功和內(nèi)能的區(qū)別小試牛刀對于熱量、功和內(nèi)能三個物理量，下列說法中正確的是()A．熱量和功與過程有關(guān)，而內(nèi)能與狀態(tài)有關(guān)B．熱量、功和內(nèi)能的物理意義相同C．熱量和功都可以作為內(nèi)能的量度D．內(nèi)能大的物體具有的熱量多A熱與內(nèi)能的改變PART03烤火取暖開火燒水太陽輻射火鉗變紅生活中常見的一些熱現(xiàn)象兩個溫度不同的物體A、B相互接觸時，溫度低的物體B要升溫，我們說，熱從高溫物體A傳到了低溫物體B。這個過程稱之為熱傳遞(傳熱)。單純地對系統(tǒng)傳熱也能改變系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)水壺溫酒容器中的酒——封閉系統(tǒng)：與外界沒有物質(zhì)交換，但有能量交換?！鱑＝QQT1T2U1U2ΔU=U2-U1系統(tǒng)內(nèi)能增量當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達到狀態(tài)2，內(nèi)能的增量△U=U2-U1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即在外界對系統(tǒng)不做功的情況下，外界傳遞給系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的改變量。熱量（Q）：是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度.（過程量，國際制單位焦耳）1、定義：兩個溫度不同的物體互相接觸時溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，并將持續(xù)到系統(tǒng)間達到熱平衡即溫度相等為止，我們說熱量從高溫物體傳到了低溫物體，這個過程稱之為熱傳遞（傳熱）.2、發(fā)生條件：物體之間或物體的不同部分之間存在溫度差。4、最終結(jié)果：5、實質(zhì)：6、注意：兩物體或物體的各個部分溫度相同。（即達到熱平衡）能量的轉(zhuǎn)移，改變系統(tǒng)的內(nèi)能。熱傳遞傳遞的是熱量，而不是溫度。3、傳遞規(guī)律：從高溫物體傳向低溫物體。經(jīng)過一段時間熱與內(nèi)能的改變7、熱傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射熱對流熱傳導(dǎo)熱輻射熱傳導(dǎo)－－熱沿著物體傳遞的熱傳遞方式，不同物質(zhì)傳導(dǎo)熱的能力各不相同，容易傳導(dǎo)熱的物體稱之為熱的良導(dǎo)體，所有金屬都是熱的良導(dǎo)體，不容易傳導(dǎo)熱的物體稱之為熱的不良導(dǎo)體，如空氣、橡膠、絨毛、棉紗、木頭、水、油等

熱對流－－靠液體或氣體的流動來傳遞熱的方式，熱對流是液體和氣體所特有的熱傳遞方式熱輻射－－熱從高溫物體向周圍以電磁波的形式沿直線射出去的方式，熱輻射不依賴媒介質(zhì)，可在真空中進行，溫差越大，表面顏色越深，物體向外的熱輻射能力越強說明:（1）像做功一樣，熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時才有意義.所以不能說物體具有多少熱量，只能說物體吸收或放出了多少熱量.

（2）物體從外界吸熱，物體內(nèi)能增加。物體對外界放熱，物體內(nèi)能減少。物理量符號意義符號意義QΔU系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能增加內(nèi)能減少+ΔU>0－ΔU<0△U＝Q熱量和熱功當(dāng)量水內(nèi)能增加碳的內(nèi)能減少做功使物體內(nèi)能發(fā)生改變，內(nèi)能的改變就用功的數(shù)值來量度。熱傳遞使物體的內(nèi)能改變，是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移（同種形式能量的轉(zhuǎn)移），從微觀角度，傳熱是在分子相互作用下，通過分子熱運動的碰撞實現(xiàn)內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。熱傳遞使物體的內(nèi)能發(fā)生改變，內(nèi)能的改變用熱量來量度。1、2、做功和熱傳遞在本質(zhì)上是不同的：做功使物體的內(nèi)能改變，是其他形式的能量和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化（不同形式能量間的轉(zhuǎn)化）高溫?zé)嵩磳?dǎo)熱壁做功和熱傳遞的區(qū)別比較項目做功熱傳遞內(nèi)能變化外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對外界做功，物體的內(nèi)能減少物體吸收熱量，內(nèi)能增加；物體放出熱量，內(nèi)能減少物理實質(zhì)其他形式的能（機械能、電能等）與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化（不同形式能量間的轉(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（同種形式能量的轉(zhuǎn)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(nèi)能的效果上是相同的（做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)能上是等效的）做功和熱傳遞的區(qū)別改變內(nèi)能的兩種方式做功熱傳遞對內(nèi)對外吸熱放熱內(nèi)能增加內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能減少（外界對物體做功）（物體對外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對外界放熱）改變內(nèi)能的兩種方式在寒冷的冬季，人們常常生火取暖，當(dāng)我們雙手靠近火源，雙手立即就會感受到手變熱了。思考一下內(nèi)能的概念，你認為改變物體的內(nèi)能有幾種方式？提示：做功和熱傳遞。議一議內(nèi)能是一個狀態(tài)量,一個物體在不同的狀態(tài)下有不同的內(nèi)能熱量是一個過程量，與一段過程對應(yīng)，它表示由于熱傳遞而引起的變化過程中轉(zhuǎn)移的能量，即內(nèi)能的改變量.如果沒有熱傳遞，就沒有熱量可言，但此時仍有內(nèi)能.內(nèi)能是由系統(tǒng)狀態(tài)決定的，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)生變化，可以通過熱傳遞或做功兩種途徑來完成。而熱量是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(nèi)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(nèi)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”。內(nèi)能與熱量的區(qū)別從宏觀看，溫度表示的是物體的冷熱程度；從微觀看，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(nèi)能一定增加。但向物體傳遞熱量，物體的內(nèi)能卻不一定增加(可能同時對外做功)。內(nèi)能與溫度熱量與溫度熱量是系統(tǒng)的內(nèi)能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內(nèi)大量分子做無規(guī)則運動劇烈程度的標志。熱傳遞的前提條件是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度?！咎貏e提醒】只要存在溫度差，熱傳遞過程就會進行，與原來物體內(nèi)能的多少大小無關(guān)。熱傳遞過程能量可以由內(nèi)能大的物體傳到內(nèi)能小的物體上，也可以由內(nèi)能小的物體傳到內(nèi)能大的物體上。某飲品的包裝上標有該飲料具有1800kJ的熱量，這種說法正確嗎？像做功一樣，熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時才有意義所以不能說物體具有多少熱量，只能說物體吸收或放出了多少熱量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(nèi)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(nèi)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”。

熱量的辨析熱傳遞過程能量一定是由內(nèi)能大的物體傳到內(nèi)能小的物體上嗎？只要存在溫度差，熱傳遞過程就會進行，從高溫物體傳到低溫物體，與原來物體內(nèi)能的多少大小無關(guān)。熱傳遞過程能量可以由內(nèi)能大的物體傳到內(nèi)能小的物體上，也可以由內(nèi)能小的物體傳到內(nèi)能大的物體上。熱和內(nèi)能的反思對于某物體，是否其溫度升高，內(nèi)能就一定增加；是否向物體傳遞能量，物體的內(nèi)能就一定增加，分別說明原因？通常情況下，對固體或液體，由于體積變化不明顯，主要是通過溫度的變化來判斷內(nèi)能是否改變?！铩铩镂矬w的溫度升高，其內(nèi)能一定增加；但物體內(nèi)能增加，溫度不一定升高。特殊情況：例如晶體熔化時，內(nèi)能增加，溫度不變。一定質(zhì)量的0℃的冰熔解成的0℃的水，雖然溫度不變，但是因為吸收熱量，所以其內(nèi)能一定增大（分子勢能增大）。從宏觀看，溫度表示的是物體的冷熱程度；從微觀看，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(nèi)能一定增加。但向物體傳遞熱量，物體的內(nèi)能卻不一定增加（可能同時對外做功）。內(nèi)能變化的判斷下列事件中，物體的內(nèi)能怎樣改變（固體和液體的熱膨脹很小，可不予考慮）？（1）壺里的水被加熱而溫度升高；（2）一條燒紅的鐵棒逐漸冷卻下來（1）壺里的水被加熱，其他物體的內(nèi)能通過傳熱將熱量傳給了壺里的水，所以水的內(nèi)能增加（2）燒紅的鐵棒比周圍溫度要高，所以要將熱量傳遞為周圍環(huán)境，而自身的內(nèi)能減少問題與練習(xí)小試牛刀圖為利用鎢鍋煉鐵的場景．若鐵的質(zhì)量大于鎢鍋的質(zhì)量，起始時鐵的溫度比鎢鍋的溫度低，當(dāng)它們接觸在一起時，忽略它們和外界交換的能量，下列說法正確的是()A．達到熱平衡時，鎢鍋的溫度比鐵的低B．熱傳遞的過程中，鐵從鎢鍋吸收熱量C．達到熱平衡時，鎢鍋內(nèi)能的減少量小于鐵內(nèi)能的增加量D．達到熱平衡時，由于鐵的質(zhì)量大于鎢鍋的質(zhì)量，鎢鍋內(nèi)能的減少量大于鐵內(nèi)能的增加量B小結(jié)(1)熱傳遞過程具有一定的方向性。 (

)(2)在任何情況下，公式ΔU＝Q都適用。 (

)(3)溫度高的物體含有的熱量多。 (

)(4)熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體。 (

)(5)做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能。 (

)(6)熱傳遞改變內(nèi)能的實質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)移。 (

)√×××√√判一判典例分析PART04【例題1】如果一個系統(tǒng)達到了平衡態(tài)，那么這個系統(tǒng)各處的（）A.溫度、壓強、體積都必須達到穩(wěn)定的狀態(tài)不再變化B.溫度一定達到了某一穩(wěn)定值，但壓強和體積仍是可以變化的C.溫度一定達到了某一穩(wěn)定值，并且分子不再運動，達到了“凝固”狀態(tài)D.溫度、壓強穩(wěn)定，但體積仍可變化A小試牛刀【例題2】下列說法正確的是（）A.放在腋下足夠長時間的水銀體溫計中的水銀與人體達到熱平衡B.溫度相同的棉花和石頭相接觸，需要經(jīng)過一段時間才能達到熱平衡C.若a與b、c分別達到熱平衡，則b、c之間也達到了熱平衡D.兩物體溫度相同，可以說兩物體達到了熱平衡ACD小試牛刀【例題3】關(guān)于溫度與溫標，下列說法正確的是()A.用攝氏溫標和熱力學(xué)溫標表示溫度是