1．功、熱和內(nèi)能的改變第三章

熱力學(xué)定律整體感知·自我新知初探[學(xué)習(xí)任務(wù)]

任務(wù)1．了解焦耳的兩個實驗的原理，認(rèn)識焦耳實驗探究對建立熱力學(xué)規(guī)律的意義。任務(wù)2．會用功、能關(guān)系構(gòu)建內(nèi)能的概念。任務(wù)3．知道做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的區(qū)別，并會區(qū)分熱量和內(nèi)能的概念。任務(wù)4．理解做功與內(nèi)能改變和傳熱與內(nèi)能的改變的關(guān)系，會解釋相關(guān)的現(xiàn)象。[問題初探]

問題1．盛水的容器采用絕熱材料做外皮，目的是什么？問題2．實驗1和實驗2中做功的方式相同嗎？問題3．物體的內(nèi)能和物體內(nèi)能的改變一樣嗎？[思維導(dǎo)圖]探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成[鏈接教材]

如圖所示是焦耳的實驗裝置，想一想，焦耳的實驗為什么要在絕熱條件下完成？焦耳實驗的重要意義是什么？知識點一焦耳的實驗提示：因為吸熱也可以使水溫升高，所以絕熱條件下才可以運用控制變量的思想方法。重要意義是通過實驗研究做功與內(nèi)能改變之間的關(guān)系。1．絕熱過程：系統(tǒng)不從外界____，也不向外界____的過程。2．代表性實驗(1)重物下落時帶動葉片轉(zhuǎn)動，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度____。(2)通過電流的______給液體加熱。3．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)做的功僅由過程的____兩個狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。吸熱放熱上升熱效應(yīng)始末4．內(nèi)能：只依賴于熱力學(xué)系統(tǒng)________的物理量。

自身狀態(tài)如圖所示，用絕熱性良好的材料制作容器，容器中安裝著葉片。砝碼下落時帶動葉片轉(zhuǎn)動，攪拌容器中的水，水的溫度上升。問題1．如何求得該裝置機械能的減少量？問題2．這個實驗說明了什么問題？提示：1．機械能的減少量可由砝碼質(zhì)量和下降的高度求得。2．做功可以改變物體的內(nèi)能，只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化是相同的。焦耳的兩個代表性實驗兩個實驗實驗一實驗二實驗裝置兩個實驗實驗一實驗二做功方式通過重物下落帶動葉片攪水，靠葉片與水摩擦使水溫升高，通過機械功實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化通過重物下落使發(fā)電機發(fā)電，電流通過電阻絲做功使水溫升高，通過電功實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化實驗條件容器及其中的水組成的系統(tǒng)與外界絕熱共性外界對系統(tǒng)做的功數(shù)值上相同，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值相同，內(nèi)能改變量相同【典例1】

(對焦耳實驗的理解)如圖所示是焦耳在研究熱與功之間關(guān)系的兩個典型實驗，那么從焦耳的這兩個實驗中可得出的結(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

[焦耳通過多次實驗，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C正確，D錯誤，其余選項不是焦耳實驗的結(jié)論。故選C。]【典例2】

(焦耳的實驗)下列有關(guān)焦耳及焦耳的實驗說法正確的是(

)A．焦耳是法國物理學(xué)家，他的主要貢獻(xiàn)是焦耳定律及測定熱功當(dāng)量B．焦耳的實驗用到的容器可以用普通玻璃容器代替C．焦耳的實驗研究對象是容器中的液體D．焦耳的實驗中要使容器及其中的液體升高相同的溫度，實驗中懸掛重物的質(zhì)量、下落的高度可以不相同，但所做的功必須相同√D

[焦耳是英國物理學(xué)家，A錯誤；焦耳的實驗用到的容器要求是絕熱的，普通玻璃容器達(dá)不到絕熱要求，B錯誤；焦耳的實驗研究對象是容器及其中的液體組成的系統(tǒng)，C錯誤；要使容器及其中的液體升高相同的溫度，即內(nèi)能增加相同，懸掛重物所做的功必須相同，D正確。][鏈接教材]

如圖所示，在有機玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，用力迅速地壓下活塞，觀察棉花的變化。知識點二功與內(nèi)能的改變(1)能看到什么現(xiàn)象？該實驗現(xiàn)象說明了什么？(2)用力按下活塞時為什么一定要迅速？提示：(1)可以看到棉花燃燒起來，該現(xiàn)象說明壓縮空氣做功，使空氣內(nèi)能增大，溫度升高，達(dá)到乙醚的著火點后引起棉花燃燒。(2)迅速壓下活塞是為了減少傳熱，盡量創(chuàng)造一個絕熱條件。1．功與內(nèi)能的改變在熱力學(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，內(nèi)能的變化量ΔU＝U2－U1，等于外界對系統(tǒng)所做的功W，即ΔU＝__。2．理解(1)ΔU＝W的適用條件是____過程。(2)在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能____，則W__0；系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能____，則W__0。W絕熱增加>

減少＜打氣筒是日常生活中的一種工具，當(dāng)我們用打氣筒給自行車打氣時，就是在克服氣體壓力和摩擦力做功。問題1．打氣的過程中你試著去摸一下打氣筒的外殼，有什么感覺？問題2．這是怎么回事呢？問題3．在絕熱過程，外界對系統(tǒng)做功與系統(tǒng)內(nèi)能的變化有什么關(guān)系？提示：1．外殼發(fā)熱。2．做功的過程是能量轉(zhuǎn)化的過程，做功使得系統(tǒng)的內(nèi)能增加了，所以溫度升高。3．在絕熱過程，外界對系統(tǒng)做多少功，系統(tǒng)內(nèi)能就增加多少，即ΔU＝W。1．做功與內(nèi)能的變化的關(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。用公式表示為ΔU＝U2－U1＝W。2．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，并不意味著外界對它做功多。只有在絕熱過程中，內(nèi)能變化越大時，相應(yīng)的做功才越多。[特別提醒]

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?！镜淅?】

(功與內(nèi)能的關(guān)系)如圖所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進(jìn)一支靈敏溫度計和一根氣針，另一端有個用卡子卡住的可移動膠塞。用打氣筒慢慢向容器內(nèi)打氣，使容器內(nèi)的壓強增大到一定程度，這時讀出溫度計示數(shù)。打開卡子，膠塞沖出容器口后(

)A．溫度計示數(shù)變大，實驗表明氣體對外界做功，內(nèi)能減少B．溫度計示數(shù)變大，實驗表明外界對氣體做功，內(nèi)能增加C．溫度計示數(shù)變小，實驗表明氣體對外界做功，內(nèi)能減少D．溫度計示數(shù)變小，實驗表明外界對氣體做功，內(nèi)能增加√C

[膠塞沖出容器口，氣體膨脹，對外做功。由于沒來得及發(fā)生熱交換，由W＝ΔU可知，內(nèi)能減少，溫度降低，A、B、D錯誤，C正確。]【典例4】

(功與內(nèi)能的關(guān)系)如圖所示為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中(

)A．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小√A

[筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，當(dāng)氣體體積變小時，則外界對氣體做功，外界對氣體做功使氣體的內(nèi)能增大，A正確。]【教用·備選例題】

(功與內(nèi)能的關(guān)系)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)裝有一可以活動的絕熱活塞。今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，壓強增大，內(nèi)能減少B．溫度降低，壓強增大，內(nèi)能減少C．溫度升高，壓強增大，內(nèi)能增加D．溫度降低，壓強減小，內(nèi)能增加√

1．傳熱兩個____不同的物體相互接觸時，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，__從高溫物體傳到了低溫物體。2．熱與內(nèi)能(1)熱量：它是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)________的量度。(2)表達(dá)式：ΔU＝__。知識點三熱與內(nèi)能的改變[微提醒]

熱量是過程量，不是狀態(tài)量，不能說系統(tǒng)含有多少熱量。溫度熱內(nèi)能變化Q3．做功和傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的區(qū)別：做功和傳熱都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變。做功時，內(nèi)能與其他形式的能發(fā)生____，而傳熱只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內(nèi)能的____。轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移“圍爐夜話”是中國古代文人認(rèn)為非常有生活情趣的一種生活方式。在“圍爐”的過程中，人的身體并沒有和爐子本身發(fā)生接觸。問題1．為什么還能夠感到溫暖？問題2．現(xiàn)代取暖的方式主要是暖氣，暖氣和爐子在能量傳遞方面有什么相同點？問題3．傳熱的實質(zhì)是什么？問題4．在單純的傳熱過程中，怎樣計算內(nèi)能的增加量？提示：1．爐子和人身體沒有發(fā)生接觸也可以感到溫暖，是因為熱量可以通過熱傳遞向外擴(kuò)散。2．散熱方式是相同的。3．傳熱的實質(zhì)是物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。4．當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱到達(dá)狀態(tài)2時，內(nèi)能的增加量ΔU等于外界對系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q。1．傳熱(1)傳熱的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。(2)實質(zhì)：傳熱實質(zhì)上傳遞的是能量，結(jié)果是改變了系統(tǒng)的內(nèi)能。傳遞能量的多少用熱量來量度。(3)傳熱具有方向性①熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，不會自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體或從物體的低溫部分傳遞到高溫部分。②只要存在溫度差，傳熱過程就會進(jìn)行，與原來物體內(nèi)能的多少大小無關(guān)。2．傳遞的熱量與內(nèi)能改變的關(guān)系(1)在單純傳熱中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少。即Q吸＝ΔU。(2)在單純傳熱時，系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少。即Q放＝－ΔU。3．傳熱與做功在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的異同(1)相同點：做功和傳熱都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變，對改變系統(tǒng)的內(nèi)能是等效的。(2)不同點：做功是內(nèi)能與其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化；傳熱只是不同物體(或同一物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移?！镜淅?】

(對內(nèi)能與熱量的理解)關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法正確的是(

)A．熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能大B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大C．在熱傳遞過程中，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．內(nèi)能相等的兩個物體相互接觸時，也可能發(fā)生熱傳遞√D

[物體的內(nèi)能由溫度、體積、物質(zhì)的量及物態(tài)決定，不是只由溫度決定，A、B錯誤；在熱傳遞過程中，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，也可以在內(nèi)能相等的兩物體之間進(jìn)行熱傳遞，C錯誤，D正確。]【典例6】

(傳熱與內(nèi)能的改變)(1)某同學(xué)做了一個小實驗：先把空的燒瓶放入冰箱冷凍，一小時后取出燒瓶，并迅速把一個氣球緊密地套在瓶頸上，然后將燒瓶放進(jìn)盛滿熱水的燒杯里，氣球逐漸膨脹起來，如圖所示。這是因為燒瓶里的氣體吸收了水的________，溫度________，體積________。(2)若只對一定質(zhì)量的理想氣體做1500J的功，可使其溫度升高5K。若改成只用傳熱的方式，使氣體溫度同樣升高5K，那么氣體吸收________J的熱量。熱量升高增大1500[解析]

(1)依題意，氣球逐漸膨脹起來是因為燒瓶內(nèi)的氣體要從熱水中吸收熱量，從而溫度升高，體積增大。(2)做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能，且是等效的。若改成只用傳熱的方式，使氣體溫度同樣升高5K，那么氣體需要吸收1500J的熱量。應(yīng)用遷移·隨堂評估自測1．(多選)下列關(guān)于熱傳遞的說法正確的是(

)A．熱量是從含熱量較多的物體傳到含熱量較少的物體B．熱量是從溫度較高的物體傳到溫度較低的物體C．熱量是從內(nèi)能較大的物體傳到內(nèi)能較小的物體D．熱量是熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化的量度√243題號1BD

[熱量不是狀態(tài)量，不能說含有或者具有多少熱量，故選項A錯誤；在熱傳遞的過程中熱量總是由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，故選項B正確，C錯誤；熱量是熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化的量度，故選項D正確。]√2．(多選)下列關(guān)于做功和熱傳遞的說法正確的是(

)A．做功和熱傳遞的實質(zhì)是相同的B．做功和熱傳遞可以同時發(fā)生C．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的D．做功和熱傳遞是對同一過程的兩種說法23題號14√√BC

[做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但有著本質(zhì)區(qū)別。做功是內(nèi)能和其他形式能量間的相互轉(zhuǎn)化，外界對物體做功，其他形式的能量轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能，物體對外界做功，物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量；而熱傳遞是將高溫物體的內(nèi)能傳遞給低溫物體，或是將同一物體高溫部分的內(nèi)能傳遞給低溫部分。做功和熱傳遞互不影響，所以二者可以同時進(jìn)行。故B、C正確，A、D錯誤。]23題號143．如圖所示是古人鍛造鐵器的過程，關(guān)于改變物體內(nèi)能的方式，下列說法正確的是(

)A．加熱和鍛打?qū)儆趥鳠?，淬火屬于做功B．加熱屬于傳熱，鍛打和淬火屬于做功C．加熱和淬火屬于傳熱，鍛打?qū)儆谧龉．加熱和淬火屬于做功，鍛打?qū)儆趥鳠?3題號41√C

[用鐵錘鍛打鐵器，鐵器會發(fā)熱，屬于用做功的方式改變物體內(nèi)能；用火對鐵器加