第1節(jié)　功、熱和內(nèi)能的改變 教學(xué)設(shè)計(jì)

第1節(jié)功、熱和內(nèi)能的改變[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．掌握從熱力學(xué)角度認(rèn)識(shí)內(nèi)能的概念。了解焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。2．知道做功與內(nèi)能改變的數(shù)量關(guān)系。知道傳熱的熱量與內(nèi)能變化的關(guān)系。3．知道做功和傳熱是改變內(nèi)能的兩種方式，且對(duì)改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的。知識(shí)點(diǎn)1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)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；(2)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。3．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：要使系統(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(gè)狀態(tài)決定，而與做功的方式無關(guān)。4．內(nèi)能：任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個(gè)物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。知識(shí)點(diǎn)2功與內(nèi)能的改變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)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加；系統(tǒng)對(duì)外做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。[判一判]1．(1)系統(tǒng)只從外界吸熱，而不向外界放熱的過程就是絕熱過程。()(2)在絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少。()(3)功和內(nèi)能都是能量轉(zhuǎn)化的量度。()提示：(1)×(2)√(3)×知識(shí)點(diǎn)3熱與內(nèi)能的改變1．傳熱(1)條件：物體的溫度不同。(2)定義：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，熱從高溫物體傳到了低溫物體。2．熱和內(nèi)能的改變(1)熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。(2)表達(dá)式：ΔU＝Q。(3)傳熱和做功在改變系統(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做功是內(nèi)能與其他形式的能發(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。[判一判]2．(1)做功和傳熱都可改變物體的內(nèi)能，從效果上是等效的。()(2)熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體。()(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。()提示：(1)√(2)×(3)×1．(做功與內(nèi)能變化的關(guān)系)在絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J，下列說法正確的是()A．氣體內(nèi)能一定增加20JB．氣體內(nèi)能增加必定小于20JC．氣體內(nèi)能增加可能小于20JD．氣體內(nèi)能可能不變解析：選A。做功的過程是能量轉(zhuǎn)化的過程，在絕熱過程中，做多少功，內(nèi)能就增加多少，所以A正確。2．(傳熱)關(guān)于傳熱，下列說法正確的是()A．傳熱是高溫物體的溫度傳給低溫物體B．并不接觸的物體之間不會(huì)發(fā)生傳熱C．比熱容相同的物體之間不會(huì)發(fā)生傳熱D．溫度相同的物體之間不會(huì)發(fā)生傳熱解析：選D。傳熱實(shí)質(zhì)是內(nèi)能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，傳遞的不是溫度，傳遞的是熱量，A錯(cuò)誤；不接觸的物體之間可以通過熱輻射的方式進(jìn)行傳熱，B錯(cuò)誤；熱量總是從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，和物體的比熱容沒有關(guān)系，C錯(cuò)誤；溫度相同的物體之間不存在溫度差，不會(huì)發(fā)生傳熱，D正確。3．(做功、熱量和內(nèi)能的關(guān)系)(多選)下列關(guān)于熱量、功和內(nèi)能的說法正確的是()A.熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義等同B．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能變化的量度D．熱量、功、內(nèi)能的單位相同解析：選CD。物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而要改變物體的內(nèi)能可以通過做功和傳熱兩種途徑，這三者的物理意義不同，A錯(cuò)誤；熱量是表示在傳熱過程中物體內(nèi)能變化了多少，而功也是用做功的方式量度物體內(nèi)能變化了多少，B錯(cuò)誤，C正確；三者的單位都是焦耳，D正確。4.(做功、熱量和內(nèi)能的關(guān)系)下列說法正確的是()A．做功和傳熱是改變物體內(nèi)能的兩種不同的物理過程B．做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的，因此對(duì)物體做功就是對(duì)物體傳熱C．熱量是傳熱過程中，內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體或物體內(nèi)能大的部分向內(nèi)能小的部分轉(zhuǎn)移的內(nèi)能大小的量度D．高溫物體具有的熱量多，低溫物體具有的熱量少解析：選A。做功和傳熱是改變物體內(nèi)能的兩種不同的物理過程，故A正確；做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的，但是對(duì)物體做功與對(duì)物體傳熱的本質(zhì)是不同的，故B錯(cuò)誤；熱量是傳熱過程中，溫度高的物體向溫度低的物體或物體溫度高的部分向溫度低的部分轉(zhuǎn)移的內(nèi)能大小的量度，故C錯(cuò)誤；熱量是傳熱過程中內(nèi)能變化的量度，是過程量，故D錯(cuò)誤。探究一做功與內(nèi)能變化的關(guān)系【問題導(dǎo)引】1.如圖，在有機(jī)玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，壓下活塞，觀察棉花的變化。(1)你能看到什么現(xiàn)象？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么問題？(2)圖中用力按壓活塞時(shí)為什么一定要迅速？2．在焦耳的許多實(shí)驗(yàn)中，有兩個(gè)最具有代表性：一個(gè)實(shí)驗(yàn)是讓重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是通過電流的熱效應(yīng)給水加熱。焦耳的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了什么問題？提示：1.(1)可以看到棉花燃燒。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明壓縮空氣做功，使空氣內(nèi)能增大，達(dá)到棉花的燃點(diǎn)后引起棉花燃燒。(2)迅速按下活塞是為了減少傳熱，創(chuàng)造一個(gè)絕熱條件。2．做功和傳熱對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。1．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(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能之和。(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，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)。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。特別提醒：(1)外界對(duì)某一系統(tǒng)做功時(shí)，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(duì)系統(tǒng)所做的功?！纠?】在下圖焦耳的兩個(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？[解析]題圖1中，物體下落，減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能；題圖2中，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。[答案]物體下落，減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能重物帶動(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【例2】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。今對(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，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[解析]力F通過活塞對(duì)密閉的理想氣體做正功，容器及活塞絕熱，則Q＝0，由功和內(nèi)能的關(guān)系知理想氣體內(nèi)能增加，溫度T升高，再根據(jù)eq\f(pV,T)＝C，體積V減小，壓強(qiáng)p增大，故選C。[答案]C[針對(duì)訓(xùn)練1](多選)(2021·吉林江城中學(xué)高二期中)下述各種改變物體內(nèi)能的方法，屬于做功方式的是()A．冷物體接觸熱物體后變熱B．鋸木頭時(shí)，鋸條發(fā)熱C．電流通過電爐絲，電爐絲發(fā)熱D．物體在火爐旁被烤熱解析：選BC。冷物體接觸熱物體后變熱是通過傳熱改變物體內(nèi)能，A錯(cuò)誤；鋸木頭時(shí)，鋸條發(fā)熱，鋸條克服摩擦力做功，B正確；電流做功，電爐絲發(fā)熱，C正確；物體在火爐旁被烤熱是通過傳熱改變物體內(nèi)能，D錯(cuò)誤。探究二做功、熱量和內(nèi)能的關(guān)系1．熱量和內(nèi)能(1)內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(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，可以通過傳熱和做功兩種方式來完成。(2)熱量是傳熱過程中的特征物理量，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所轉(zhuǎn)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。(3)對(duì)某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，不存在“熱量”和“功”。不能說一個(gè)系統(tǒng)中含有多少熱量。2．熱量與溫度：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。傳熱的前提條件是兩個(gè)系統(tǒng)之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度。3．改變內(nèi)能的兩種方式的比較比較項(xiàng)目做功傳熱內(nèi)能變化外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對(duì)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(shí)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)系做一定量的功和傳遞相同量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的【例3】下列說法中正確的是()A．100℃的水變?yōu)?00℃的水蒸氣的過程中內(nèi)能增大B．0℃的冰熔化為0℃的水的過程中內(nèi)能不變C．物體溫度升高，內(nèi)能一定增加D．物體吸熱后溫度一定升高[解析]100℃的水變?yōu)?00℃的水蒸氣過程中，溫度不變，所以分子的平均動(dòng)能不變，但分子勢(shì)能增大，所以內(nèi)能增大，故A正確；0℃的冰熔化成0℃水的過程中，溫度不變，吸收熱量，內(nèi)能增加，故B錯(cuò)誤；物體的內(nèi)能由分子勢(shì)能和分子動(dòng)能共同決定，溫度升高，分子平均動(dòng)能增加，但是分子勢(shì)能可能減少，所以總體內(nèi)能不一定增加，故C錯(cuò)誤；晶體在熔化時(shí)，吸收熱量，溫度不變，內(nèi)能增加，故D錯(cuò)誤。[答案]A【例4】(多選)下列說法中正確的是()A．做功和傳熱是改變物體內(nèi)能的兩種本質(zhì)不同的物理過程，做功是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化，傳熱是物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移B．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增大C.物體向外界放熱，物體的內(nèi)能一定增大D．物體內(nèi)能發(fā)生了改變，可能是做功引起的，也可能是傳熱引起的，還可能是兩者共同引起的[解析]做功和傳熱改變物體內(nèi)能的本質(zhì)不同，因?yàn)樽龉Φ倪^程是不同形式的能相互轉(zhuǎn)化的過程，而傳熱是同種形式的能量(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，A正確；物體內(nèi)能的變化取決于做功和傳熱兩種途徑，單就一個(gè)方面的改變不足以斷定其內(nèi)能的變化情況，B、C錯(cuò)誤，D正確。[答案]AD[針對(duì)訓(xùn)練2]關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的是()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．在傳熱過程中，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．在傳熱過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止解析：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)誤；在傳熱過程中，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錯(cuò)誤，D正確。1．下面例子中，通過做功來改變物體內(nèi)能的是()A．陽光照射衣服，衣服的溫度升高B．用打氣筒打氣，筒壁變熱C．將高溫金屬塊放在水中，水的溫度升高D．放進(jìn)冰箱冷凍室的水變成冰塊解析：選B。陽光照射衣服，衣服的溫度升高，是通過熱傳遞改變內(nèi)能，A錯(cuò)誤；用打氣筒打氣，筒壁變熱，是通過做功改變內(nèi)能，B正確；將高溫金屬塊放在水中，水的溫度升高，是通過熱傳遞改變內(nèi)能，C錯(cuò)誤；放進(jìn)冰箱冷凍室的水變成冰塊，是通過熱傳遞改變內(nèi)能，D錯(cuò)誤。2．兩物體接觸后發(fā)生了熱傳遞，下列說法正確的是()A．內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體傳遞熱量B．密度大的物體向密度小的物體傳遞熱量C．含熱量多的物體向含熱量少的物體傳遞D．分子平均動(dòng)能大的物體向分子平均動(dòng)能小的物體傳遞解析：選D。熱傳遞時(shí)是熱量從溫度高的物體傳向溫度低的物體，而溫度是平均動(dòng)能大小的標(biāo)志，溫度越高，分子平均動(dòng)能越大。因此兩物體接觸后發(fā)生了熱傳遞時(shí)，是分子平均動(dòng)能大的物體向分子平均動(dòng)能小的物體傳遞。D正確，A、B、C錯(cuò)誤。3．(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．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)能的減少量都等于鐵塊內(nèi)能的增加量D．達(dá)到熱平衡時(shí)，銅塊的溫度比鐵塊的低解析：選AC。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，因此A、C正確，B、D錯(cuò)誤。4．(多選)在實(shí)驗(yàn)室將一容積比較大的燒瓶放入冰箱冷凍室內(nèi)，經(jīng)過幾小時(shí)后，將燒瓶從冰箱內(nèi)迅速取出，并立即用小氣球緊緊地套在燒瓶的瓶口，然后將燒瓶放入裝有熱水的燒杯中，如圖所示，將燒瓶及氣球內(nèi)的氣體看成是理想氣體。則下列說法正確的是()A．經(jīng)過一段時(shí)間后氣球會(huì)膨脹起來B．氣球的體積一直都不會(huì)發(fā)生變化C．燒瓶及氣球內(nèi)的氣體內(nèi)能增加D．燒瓶及氣球內(nèi)的氣體的壓強(qiáng)一定變大解析：選ACD。由于熱水的溫度較高，將燒瓶放進(jìn)盛滿熱水的燒杯里，燒瓶及氣球內(nèi)氣體吸收了熱水的熱量，溫度升高，內(nèi)能增大，體積增大，故A、C正確，B錯(cuò)誤；初始時(shí)燒瓶及氣球內(nèi)氣體的壓強(qiáng)等于大氣壓，吸收熱量后，燒瓶及氣球內(nèi)氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓，氣球膨脹，故D正確。5．如圖所示，瓶?jī)?nèi)裝有少量的水，瓶口已塞緊，水上方空氣中有水蒸氣，用打氣筒向瓶?jī)?nèi)打氣，當(dāng)塞子從瓶口跳出時(shí)，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)“白霧”，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以用下面三句話解釋：甲，水蒸氣凝結(jié)成小水珠；乙，瓶?jī)?nèi)氣體推動(dòng)瓶塞做功，內(nèi)能減??；丙，溫度降低。三句話正確的順序是()A．甲、乙、丙 B．乙、丙、甲C．丙、甲、乙 D．乙、甲、丙解析：選B。根據(jù)題意因果順序