2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊(cè) 第3章 1 功、熱和內(nèi)能的改變

1功、熱和內(nèi)能的改變[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理，知道做功和傳熱的實(shí)質(zhì)。2.知道做功和傳熱是改變內(nèi)能的兩種方式，明確兩種方式的區(qū)別(重難點(diǎn))。3.明確內(nèi)能、功、熱量、溫度四個(gè)物理量的區(qū)別和聯(lián)系。一、焦耳的實(shí)驗(yàn)1．絕熱過程：系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程。2．代表性實(shí)驗(yàn)(1)重物下落時(shí)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升。(2)通過電流的熱效應(yīng)給液體加熱。3．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做的功僅由過程的始末兩個(gè)狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。4．內(nèi)能：只依賴于熱力學(xué)系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量。1．在焦耳研究功與熱等效性的實(shí)驗(yàn)中，為什么要求盛水的容器采用絕熱材料做外皮？答案隔絕與外界熱量的交換，使水溫度的升高只由葉片攪拌引起。2．在教材圖3.1－1和圖3.1－2所示的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，各是什么形式的能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能？答案(1)重物下落，減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)為系統(tǒng)的內(nèi)能；(2)重物帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)工作，將電能轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)能。二、功與內(nèi)能的改變?cè)诳諝鈮嚎s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(huì)被點(diǎn)燃呢？答案外界對(duì)筒內(nèi)氣體做功，使氣體內(nèi)能增加，溫度升高，達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn)后引起硝化棉燃燒。1．功與內(nèi)能的改變?cè)跓崃W(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的變化量ΔU＝U2－U1，等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，即ΔU＝W。2．理解(1)ΔU＝W的適用條件是絕熱過程。(2)在絕熱過程中，外界對(duì)物體做功，則W>0外界對(duì)物體做多少功，物體的內(nèi)能就增加多少，物體對(duì)外界做功，則W<0，物體對(duì)外界做多少功，物體的內(nèi)能就減少多少。如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，右側(cè)與絕熱活塞之間是真空的?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣，則氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能變化了嗎？為什么？氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能如何變化？為什么？答案氣體向真空擴(kuò)散過程中不對(duì)外做功，且又因?yàn)槠捉^熱，可知?dú)怏w自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能不變；氣體在被壓縮的過程中活塞對(duì)氣體做功，因汽缸絕熱，則氣體內(nèi)能增大。例1(多選)某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時(shí)，密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內(nèi)氣體與外界無熱量交換，忽略氣體分子間的相互作用，則缸內(nèi)氣體()A．對(duì)外做正功，分子的平均動(dòng)能減小B．對(duì)外做正功，內(nèi)能增大C．對(duì)外做負(fù)功，分子的平均動(dòng)能增大D．對(duì)外做正功，內(nèi)能減小答案AD解析氣體膨脹，氣體對(duì)外做正功，W<0，又因?yàn)闅怏w與外界無熱量交換，Q＝0，由此可知?dú)怏w內(nèi)能減小，ΔU<0，B錯(cuò)誤，D正確；因忽略氣體分子間的相互作用，沒有分子勢(shì)能，所以分子平均動(dòng)能減小，A正確，C錯(cuò)誤。例2如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5kg，面積為0.1m2，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，被封閉氣體的高度為50cm，現(xiàn)在活塞上方加一質(zhì)量為15kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm。求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加了多少。(p0＝1.01×105Pa，g取10m/s2)答案1030J解析由于汽缸及活塞均絕熱，故外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物體)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1J＋1.01×105×0.1×0.1J＝1030J。功與內(nèi)能的區(qū)別(1)功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量。(2)物體的內(nèi)能大，并不意味著外界對(duì)它做功多，只有在絕熱過程中，內(nèi)能變化越大時(shí)相應(yīng)做的功越多。三、熱與內(nèi)能的改變1．傳熱(1)條件：物體的溫度不同。(2)傳熱：熱從高溫物體傳到了低溫物體。2．熱和內(nèi)能(1)熱量：在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。(2)熱與內(nèi)能的改變①當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的變化量ΔU＝U2－U1等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q。②理解：在單純傳熱的過程中，系統(tǒng)從外界吸收熱量，則Q>0，系統(tǒng)從外界吸收了多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少，系統(tǒng)向外界放熱，則Q<0，系統(tǒng)向外界放了多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少。3．傳熱與做功在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的異同(1)做功和傳熱都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變。(2)做功時(shí)，內(nèi)能與其他形式的能(如內(nèi)能與機(jī)械能、內(nèi)能與電能等)發(fā)生轉(zhuǎn)化；傳熱只是不同物體(或一個(gè)物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。1．答案三種方式都是熱量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體。2．一根金屬棒的溫度升高了，也就是說它的內(nèi)能增加了，你能判斷出它是通過哪種方式增加內(nèi)能的嗎？為什么？答案不能，因?yàn)樽龉蛡鳠岫寄芨淖兾矬w的內(nèi)能。(1)熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體。(×)(2)做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能，從效果上是等效的。(√)(3)傳熱只能發(fā)生在兩個(gè)物體間，同一物體不能發(fā)生傳熱。(×)例3下列現(xiàn)象中，通過傳熱的方法來改變物體內(nèi)能的是()A．打開電燈開關(guān)，燈絲的溫度升高，內(nèi)能增加B．太陽能熱水器在陽光照射下，水的溫度逐漸升高C．用磨刀石磨刀時(shí)，刀片的溫度升高，內(nèi)能增加D．打擊鐵釘，鐵釘?shù)臏囟壬?，?nèi)能增加答案B解析打開電燈開關(guān)，燈絲的溫度升高，是通過電流做功的方法來改變物體內(nèi)能的，A錯(cuò)誤；太陽能熱水器中水的內(nèi)能增加是以傳熱方式進(jìn)行的，B正確；用磨刀石磨刀時(shí)，刀片溫度升高，是通過做功的方法來改變物體內(nèi)能的，C錯(cuò)誤；打擊鐵釘，鐵釘溫度升高，是通過做功的方法來改變物體內(nèi)能的，D錯(cuò)誤。例4(多選)在外界不做功的情況下，物體的內(nèi)能增加了50J，下列說法正確的是()A．一定是物體放出了50J的熱量B．一定是物體吸收了50J的熱量C．一定是物體分子動(dòng)能增加了50JD．物體分子的平均動(dòng)能可能不變答案BD解析在外界不做功的情況下，內(nèi)能的改變量等于傳遞的熱量，內(nèi)能增加50J，一定是吸收了50J的熱量，故A錯(cuò)，B對(duì)；物體內(nèi)能包括所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能，內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能共同決定，所以內(nèi)能增加了50J并不一定是分子動(dòng)能增加了50J，物體分子的平均動(dòng)能有可能不變，這時(shí)吸收的50J熱量全部用來增加分子勢(shì)能，故C錯(cuò)，D對(duì)。例5對(duì)于熱量、功和內(nèi)能三個(gè)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答案A解析熱量和功是過程量，與過程有關(guān)，而內(nèi)能是狀態(tài)量，與狀態(tài)有關(guān)，故A正確；熱量、功和內(nèi)能是三個(gè)不同的物理量，它們的物理意義不同，熱量反映了物體內(nèi)能的變化的多少，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子動(dòng)能和勢(shì)能之和，做功和熱量都可以作為改變物體內(nèi)能變化的量度，而不是內(nèi)能的量度，故B、C錯(cuò)誤；熱量是過程量，不是狀態(tài)量，不能說內(nèi)能大的物體具有的熱量多，故D錯(cuò)誤。熱量、溫度與內(nèi)能的區(qū)別1．熱量是系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，傳熱的前提是兩個(gè)系統(tǒng)之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度。2．內(nèi)能是狀態(tài)量，熱量是過程量。熱量只有在涉及能量的轉(zhuǎn)移時(shí)才有意義。不能說物體具有多少熱量，只能說某一過程中物體吸收或放出了多少熱量。3．物體的內(nèi)能大，并不意味著傳熱多。只有在僅傳熱過程中，內(nèi)能變化越大時(shí)，相應(yīng)的傳熱才越多。課時(shí)對(duì)點(diǎn)練考點(diǎn)一焦耳的實(shí)驗(yàn)1．(多選)如圖為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，用絕熱性能良好的材料制作容器，重物下落時(shí)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，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．該裝置可測(cè)定做功和內(nèi)能變化的關(guān)系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)別答案AC解析該實(shí)驗(yàn)測(cè)定做功和內(nèi)能變化的關(guān)系，故選項(xiàng)A正確；該實(shí)驗(yàn)是絕熱過程，沒有傳熱，水內(nèi)能的改變是由于做功，故選項(xiàng)C正確；做功表示能量的轉(zhuǎn)化，而熱量表示傳熱中內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，二者有區(qū)別，故選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤。2．如圖所示是焦耳在研究熱與功之間關(guān)系的兩個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，那么從焦耳的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中可得出的結(jié)論是()A．熱量可由高溫物體傳給低溫物體B．機(jī)械能守恒C．在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變與做功的方式無關(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)答案C解析焦耳通過多次實(shí)驗(yàn)，最后得到的結(jié)論是，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)，故選項(xiàng)C正確?？键c(diǎn)二功與內(nèi)能的改變3．(多選)(2022·西安市高二月考)在以下事例中，通過做功的方式來改變物體內(nèi)能的是()A．兩小球碰撞后粘合起來，同時(shí)溫度升高B．冬天暖氣為房間供暖C．點(diǎn)燃的爆竹在空中爆炸D．汽車的車輪與地面相互摩擦發(fā)熱答案ACD解析改變內(nèi)能的方式有兩種：做功和傳熱。做功的實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化過程，做功的過程中能量的形式發(fā)生改變；傳熱是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，能量的形式不發(fā)生變化。兩小球碰撞后粘在一起，溫度升高，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，是利用做功的方式改變物體的內(nèi)能，故A正確；冬天暖氣為房間供暖，是通過傳熱的方式來改變物體的內(nèi)能，故B錯(cuò)誤；點(diǎn)燃的爆竹在空中爆炸，是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能，屬于做功改變物體的內(nèi)能，故C正確；車輪與地面摩擦生熱，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，屬于做功改變物體的內(nèi)能，故D正確。4.(2022·桂林市高二期中)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)活塞施加一豎直向下的壓力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)增大，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)能增加答案C解析向下壓活塞，活塞對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能增加，溫度升高，氣體的體積減小，可得出氣體的壓強(qiáng)增大，故選項(xiàng)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U甲、U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．U甲不變，U乙減小 B．U甲不變，U乙增大C．U甲增大，U乙不變 D．U甲增大，U乙減小答案D解析由題意可知甲、乙兩氣室氣體都經(jīng)歷絕熱過程，內(nèi)能的改變?nèi)Q于做功的情況。對(duì)甲室內(nèi)的氣體，在拉桿緩慢向左拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對(duì)甲室內(nèi)的氣體做功，內(nèi)能增大；對(duì)乙室內(nèi)的氣體，活塞左移，氣體膨脹，乙室內(nèi)的氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能減小，D正確?？键c(diǎn)三熱與內(nèi)能的改變6．關(guān)于傳熱，下列說法正確的是()A．傳熱的實(shí)質(zhì)是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生傳熱C．傳熱可以在任何情況下進(jìn)行D．物體內(nèi)能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量答案B解析傳熱的實(shí)質(zhì)是物體間能量的轉(zhuǎn)移，故A錯(cuò)誤；傳熱的條件是物體間存在溫度差，高溫物體放出熱量，低溫物體吸收熱量，若兩物體溫度相同，它們之間便不會(huì)發(fā)生傳熱，故B正確，C錯(cuò)誤；物體吸收或放出熱量，內(nèi)能會(huì)發(fā)生變化，但內(nèi)能變化不一定是傳熱引起的，也可能是做功引起的，故D錯(cuò)誤。7．(多選)(2022·上海金山中學(xué)高二期中)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)，銅塊的溫度和鐵塊的相等D．達(dá)到熱平衡時(shí)，銅塊的溫度比鐵塊的低答案AC解析熱平衡條件是溫度相等，傳熱的方向是從溫度高的物體傳向溫度低的物體；在傳熱過程中高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量，故A、C正確，B、D錯(cuò)誤。8．(2022·包頭市第六中學(xué)高二期中)下列說法正確的是()A．物體的溫度升高，物體所含的熱量就增多B．物體的溫度不變，內(nèi)能一定不變C．熱量和功的單位與內(nèi)能的單位相同，所以熱量和功都可作為物體內(nèi)能的量度D．熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體的狀態(tài)決定的答案D解析熱量是一個(gè)過程量，不能說物體含有多少熱量，A錯(cuò)誤；物體的溫度不變，內(nèi)能不一定不變，例如0℃的冰變?yōu)?℃的水內(nèi)能增加，B錯(cuò)誤；熱量和功都可以作為物體內(nèi)能變化的量度，而不是內(nèi)能的量度，C錯(cuò)誤；熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體的狀態(tài)決定的，D正確。9．(2022·湖北省黃梅國際育才高級(jí)中學(xué)高二期中)金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關(guān)，筒內(nèi)高壓空氣迅速向外逸出，待筒內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)，立即關(guān)閉開關(guān)。在外界保持恒溫的條件下，經(jīng)過一段較長時(shí)間后，再次打開開關(guān)，這時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象是()A．筒外空氣流向筒內(nèi)B．筒內(nèi)空氣流向筒外C．筒內(nèi)外有空氣變換，處于動(dòng)態(tài)平衡，筒內(nèi)空氣質(zhì)量不變D．筒內(nèi)外無空氣變換答案B解析因高壓空氣急劇外逸時(shí)，氣體沒有時(shí)間充分與外界發(fā)生熱交換，可近似看成絕熱膨脹過程。氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減小，所以關(guān)閉開關(guān)時(shí)，筒內(nèi)氣體溫度比外界低，再經(jīng)過較長時(shí)間后，筒內(nèi)外氣體溫度相同。對(duì)筒內(nèi)剩余氣體分析，屬于等容升溫過程，其壓強(qiáng)要變大，大于外界氣壓，所以再打開開關(guān)時(shí)，筒內(nèi)氣體要流向筒外，故B正確。10．(多選)如圖所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分。已知a內(nèi)有一定質(zhì)量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空。抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，不計(jì)分子間的勢(shì)能。在此過程中下列說法正確的是()A．氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能減少B．氣體不做功，內(nèi)能不變C．氣體壓強(qiáng)變小，溫度不變D．單位時(shí)間內(nèi)撞擊容器壁的分子數(shù)減少答案BCD解析稀薄氣體向b部分?jǐn)U散沒有對(duì)外界做功，W＝0，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；絕熱容器內(nèi)的稀薄氣體與外界不發(fā)生傳熱也沒做功，所以氣體內(nèi)能不變，故選項(xiàng)B正確；根據(jù)題意知，氣體體積增大，壓強(qiáng)減小，氣體的內(nèi)能不變，則溫度不變，故選項(xiàng)C正確；溫度不變，分子的平均動(dòng)能不變，壓強(qiáng)減小，說明單位時(shí)間內(nèi)和容器壁碰撞的分子數(shù)目減少，故選項(xiàng)D正確。11．(多選)如圖所示，帶有活塞的汽缸中密封著一定質(zhì)量的理想氣體(不考慮氣體分子勢(shì)能)，汽缸和活塞均具有良好的絕熱性能。將一個(gè)熱敏電阻(隨溫度升高，電阻變小)置于汽缸中，熱敏電阻與汽缸外的歐姆表連接，汽缸固定不動(dòng)，缸內(nèi)活塞可自由移動(dòng)且不漏氣，活塞下掛一沙桶，沙桶裝滿沙子時(shí)活塞恰好靜止。現(xiàn)將沙桶底部鉆一小洞，細(xì)沙緩緩漏出。則下列說法正確的是()A．外界對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能增大B．氣體對(duì)外界做功，氣體的內(nèi)能減小C．氣體的壓強(qiáng)增大，體積減小D．歐姆表的偏轉(zhuǎn)角逐漸增大答案ACD解析在細(xì)沙緩慢漏出的過程中，沙桶對(duì)活塞向下的拉力逐漸減小，活塞在大氣壓的作用下向上運(yùn)動(dòng)，外界對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能增大，溫度升高，體積減小，壓強(qiáng)增大，由于熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，則歐姆表示數(shù)減小，偏轉(zhuǎn)角逐漸增大，故A、C、D