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1、第十章 热力学定律,12 功和内能 热和内能,一、焦耳实验 阅读教材第50页“焦耳的实验”部分,知道什么是绝热过程,了解焦耳实验的代表性实验及实验结论。 1.实验条件 绝热过程:系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量,它不从外界吸热,也不向外界放热。 2.代表性实验 (1)让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。 (2)通过电流的热效应给水加热。 3.实验结论 在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的,即要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定,而与做功的方式无关。,二、功和内能 1.系统的内能:任何

2、一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。 2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系:当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的增加量U就等于外界对系统所做的功W,即U=W。,三、热和内能 1.热传递:热量从高温物体传到低温物体的过程。 2.实现热传递的条件:两物体间存在着温度差。 3.热传递与系统内能变化的关系:系统在单纯的传热过程中内能的增量U等于外界向系统传递的热量Q,即U=Q。 4.对热量的理解:热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量,是一个过程

3、量,不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量。 四、热和功的比较 1.改变系统内能的方式:做功和热传递。 2.做功和热传递在改变物体内能方面的区别:做功时内能与其他形式的能发生转化;而热传递只是不同物体间内能的转移。,自我检测 1.判断正误,对的画“”,错的画“”。,(1)在绝热过程中,系统对外界做的功等于系统内能的增加量。( ) 解析:在绝热过程中,外界对系统做的功等于系统内能的增加量;系统对外界做的功等于系统内能的减少量。 答案: (2)功和内能都是能量转化的量度。( ) 解析:功是能量转化的量度,内能不是能量转化的量度。 答案:,(3)温度高的物体含有的热量多。( ) 解析

4、:热量是个过程量,只有当两物体发生热传递时,热量才从一个物体转移到另一个物体。 答案: (4)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。( ) 解析:热传递的条件是两物体存在温度差,热量是从温度高的物体传递给温度低的物体。 答案:,2.探究讨论。 (1)教材第50页演示实验图10.1-1反映了怎样的能量转化过程? 答案:做功可以改变物体的内能,本实验就是通过外力做功,机械能转化为内能。筒底物品内能增加,温度达到着火点而燃烧。 (2)当我们双手靠近火源时,立即就会感受到手变热了;冬天,当天气冷时,我们搓搓手就会感到手暖一些。这些各是利用什么方式改变内能的?答案:靠近火源是利用热传递让手变热;搓搓

5、手是利用做功让手变热。,(3)两个热力学系统达到热平衡后还发生热传递吗?它们的内能相等吗? 答案:它们达到热平衡时温度相同,不再发生热传递,其分子的平均动能相等,但无法判断内能是否相等。 (4)锯木头时,锯子发热现象中能量是如何转化的?锯木头时锯子发热 答案:通过做功过程使机械能转化为内能。,探究一,探究二,功和内能 问题探究 钻木取火是人类最早使用火的方式,火获得的能量是怎样得到的?要想自己顺利完成钻木取火实验,你觉得需要从哪些方面做准备?要点提示钻木取火中的内能增加是通过外力做功,使机械能转化为内能来完成的。要想实验成功,需要寻找干燥的木材,适合的引火草绒等。,探究一,探究二,知识归纳 1

6、.内能与内能的变化 (1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。因此,物体的内能是一个状态量。 (2)当物体温度变化时,分子的平均动能变化;物体的体积变化时,分子势能发生变化,因此物体的内能变化只由初末状态决定,与中间过程及方式无关。 2.做功与内能变化的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 (2)在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内能就增加多少,即U=W。,探究一,探究二,3.功和内能的区别 (1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。 (2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,

7、只有在绝热过程中,做功才一定能引起内能的变化。 (3)物体的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,只有内能变化较大时,才对应着做功较多。 4.判断绝热过程中内能变化的方法 判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体体积变化就可决定: 若体积增大,气体对外界做功,W0,即U0,内能增加。气体自由膨胀时,气体与外界相互不做功,因此这种情况下气体体积增大没有外界阻力,也就不需要对外界做功。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】 如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离后,气体

8、的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦,则被密封的气体( ) A.温度升高,压强增大,内能减少 B.温度降低,压强增大,内能减少 C.温度升高,压强增大,内能增加 D.温度降低,压强减小,内能增加,探究一,探究二,【思考问题】 (1)“绝热容器”是什么意思? 提示系统既不向外界传热,又不从外界吸热。 (2)活塞缓慢向下移动一段距离时做功情况怎样? 提示外界对理想气体做了功。 解析:由F对密闭的理想气体做正功,容器及活塞绝热,知Q=0,由功和内能的关系知理想气体内能增大,温度T升高,再根据 ,体积V减小,压强p增大,故选C。 答案:C,探究一,探究二,分析绝热过程的方法 (1)在绝热的情况下,若

9、外界对系统做正功,系统内能增加;若系统对外界做正功,系统内能减少,此过程做功的多少为转化为内能多少的量度。 (2)在绝热过程中,内能和其他形式的能一样也是状态量,气体的初、末状态确定了,即在初、末状态的内能也相应地确定了,内能的变化U也确定了,而功是能量转化的量度,所以U=W,即W也确定了,这也是判断绝热过程的一种方法。,探究一,探究二,变式训练1(多选)一物体获得一定初速度后,沿着一粗糙斜面上滑,在上滑过程中,物体和斜面组成的系统 ( ) A.机械能守恒 B.总能量守恒 C.机械能和内能增加 D.机械能减少,内能增加 解析:物体沿斜面上滑过程中,有摩擦力对物体做负功,所以物体的机械能减少。由

10、能量守恒定律知,内能应增加,能量总量不变。 答案:BD,探究一,探究二,热和内能 问题探究 “围炉夜话”是古代中国文人认为最有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖?现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点?要点提示炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传导的方法向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。,探究一,探究二,知识归纳 温度、内能和热量的区别与联系,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】 (多选)A、B两物体之间接触,但没有发生热传递,则( ) A.两物体所含有的热量相等 B.两物体的内

11、能相等 C.两物体的温度相同 D.两物体的内能不一定相等 【思考问题】 (1)热传递发生的条件是什么? 提示物体之间存在着温度差,高温物体放出热量,低温物体吸收热量,若两物体温度相同,它们之间便不会发生热传递。 (2)物体的温度相等时,内能相等吗? 提示不一定相等。,探究一,探究二,解析:处于热平衡的两物体温度相等,不发生热传递。物体的内能取决于物体的物质的量、温度和体积,温度相等,内能不一定相等,所以选项C、D正确。 答案:CD热传递的过程分析 热量是热传递过程中物体内能变化的量度,在只有热传递的过程中,没有做功,物体吸收多少热量,它的内能就增加多少;反之,物体的内能减少多少,物体就放出多少

12、热量。,探究一,探究二,变式训练2关于物体的内能和热量,下列说法中正确的是( ) A.热水的内能比冷水的内能多 B.温度高的物体其热量必定多,内能必定大 C.在热传递过程中,内能大的物体其内能将减小,内能小的物体其内能将增大,直到两物体的内能相等 D.热量是热传递过程中内能转移的量度 解析:物体的内能由温度、体积及物体的质量决定,不是只由温度决定,故A、B错;在热传递过程中,热量由高温物体传给低温物体,而与物体的内能大小无关,所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大,内能小的物体内能继续减小,故C项错;关于热量的论述,D项是正确的。 答案:D,1,2,3,4,5,1.(多选)在一个绝热汽缸里,

13、若因气体膨胀,活塞把重物逐渐举高,则在这个过程中,汽缸中的气体(可视为理想气体)( ) A.温度升高 B.温度降低 C.内能增加 D.内能减少 解析:汽缸绝热,封闭气体膨胀对活塞做功,气体的内能减少。理想气体的内能只与气体的温度有关,可知气体内能减少,温度降低,故B、D两项正确。 答案:BD,1,2,3,4,5,2. 关于热传递,下列说法正确的是( ) A.热传递是高温物体的温度传给低温物体 B.并不接触的物体之间不会发生热传递 C.比热容相同的物体之间不会发生热传递 D.温度相同的物体之间不会发生热传递 解析:热传递实质是内能从高温物体转移到低温物体,传递的不是温度,传递的是热量,A项错误;

14、不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行热传递,B项错误;热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体,和物体的比热容没有关系,C项错误;温度相同的物体之间不存在温度差,不会发生热传递,D项正确。 答案:D,1,2,3,4,5,3. 关于温度、热量、内能,以下说法正确的是( ) A.一个铁块的温度升高,其内能增大 B.物体吸收热量,其温度一定升高 C.温度高的物体比温度低的物体含有的热量多 D.温度总是从物体热的部分传递至冷的部分 解析:选项B中,物体吸收热量,温度不一定就升高,例如晶体熔化、液体沸腾这些过程。选项C中热量是在热传递过程中传递能量的多少,是过程量,因此不能说物体含有热量。选项D中,

15、在热传递的过程中,传递的是能量,不是温度,温度变化是能量变化的表象。 答案:A,1,2,3,4,5,4. 下列各事例通过热传递改变物体内能的是( ) A.车床上车刀切削工件后发热 B.擦火柴时火柴头温度升高 C.用肥皂水淋车刀后车刀降温 D.搓搓手就会觉得手发热 解析:车床上车刀切削工件后发热,擦火柴时火柴头温度升高,搓搓手就会觉得手发热都是通过做功改变物体内能;用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过热传递改变物体内能的,选项C正确。 答案:C,1,2,3,4,5,5.如图所示,瓶内装有少量的水,瓶口已塞紧,水上方空气中有水蒸气,用打气筒向瓶内打气,当塞子从瓶口跳出时,瓶内出现“白雾”,这一现象产生的原因可以用下面三句话解释:甲.水蒸气凝结成小水珠;乙.瓶内气体推动瓶塞做功,内能减小;丙.温度降低。三句话正确的顺序是( ) A.甲、乙、丙 B.乙、丙、甲 C.丙、甲、乙 D.乙、甲、丙 解析:根据题意因果顺序的进程为:空气推动瓶塞做功空气内能减小瓶内空气温度降低瓶内水蒸气液化成小水珠即“白雾”,而瓶塞跳起的原因是用打气筒往瓶内打气使气体压强增大所致。 答案:B,