高中物理第十章热力学定律第1节功和内能第2节热和内能教学案新人教选修3-3

第1、2节功和内能__热和内能

1.绝热过程：系统只由于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，这样的

过程叫做绝热过程。

2．绝热过程中系统内能的增加量等于外界对系统所

做的功，即ΔU＝W。

3．热传递：热量从物体的高温部分传递到低温部分，

或从高温物体传递给低温物体的物理过程。

4．系统在单纯的传热过程中，内能的增量ΔU等于

外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。

5．做功和热传递是改变内能的两种方式且具有等效

性，但二者实质不同。

一、焦耳的实验

1．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．代表实验

(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温度上升。

(2)通过电流的热效应给水加热。

3．实验结论

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决定，而与做功的方式无关。

二、功和内能

1．内能的概念

(1)内能是描述热力学系统自身状态的物理量。

(2)在绝热过程中做功可以改变热力学系统所处的状态。

2．绝热过程中内能的变化

(1)表达式：ΔU＝W。

1

(2)外界对系统做功，W为正；系统对外界做功，W为负。

三、热和内能

1．热传递

(1)条件：物体的温度不同。

(2)过程：温度不同的物体发生热传递，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到低温物体。

(3)热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。

2．热和内能

(1)单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态，即热传递能改变物体的内能。

(2)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。

(3)单纯的传热过程中内能的变化。

①公式：ΔU＝Q。

②物体吸热，Q为正；物体放热，Q为负。

1．自主思考——判一判

(1)温度高的物体含有的热量多。(×)

(2)内能多的物体含有的热量多。(×)

(3)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(×)

(4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的。(√)

(5)在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量。(×)

(6)热传递只能发生在两个物体间，同一物体不能发生热传递。(×)

2．合作探究——议一议

(1)焦耳的热功当量实验和电流热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？

提示：不同。在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功多少有关。

(2)用锤子反复敲打一块铁，铁块会发生怎样的变化？为什么？

提示：铁块的温度升高，同时会发生形变，在敲打铁块的过程中，锤头对铁块做功，使铁块的内能增加，温度升高。铁块由于受到力的作用，会发生形变。

(3)热传递是热量从内能多的物体传递给内能少的物体吗？

提示：不是。热传递是热量从高温物体传向低温物体，并非从内能多的物体传向内能少的物体。

2

3

功和内能的关系

1．内能与内能变化

(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，分子平均动能变化；物体体积变化时，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。

3．功和内能的区别

(1)功是过程量，内能是状态量。

(2)在绝热过程中，做功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，只有内能变化越大时，相应地做功才越多。

1．(多选)在下述各种现象中，由做功引起系统温度变化的是( )

A ．在阳光照射下，水的温度升高

B ．用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高

C ．在炉火上烧水，水的温度升高

D ．电视机工作一段时间，其内部元件温度升高

解析：选BD 阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的。电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高。可见B 、D 是由做功引起温度变化的。

2．采用绝热的方式使一定量的气体由初状态A 变化至末状态B 。对于不同的绝热方式，下列说法正确的是( )

A ．对气体所做的功不同

B ．对气体所做的功相同

C ．对气体不做功，因为没有能量的传递

D．以上三种说法都不对

解析：选B 对于一定质量的气体，不管采用任何一种绝热方式由状态A变化到状态B，都是绝热过程。在这一过程中，气体在初状态A有一确定的内能U A，在状态B有另一确定的内能U B，由绝热过程中ΔU＝U B－U A＝W知，W为恒量，所以B正确。

3. (多选)如图10-1-1为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是(

)

图10-1-1

A．这个装置可测定热功当量

B．做功增加了水的热量

C．做功增加了水的内能

D．功和热量是完全等价的，无区别

解析：选AC 将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，故A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，故B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误。

做功、热传递与内能的关系

1．热量与功：热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量，但它们之间有着本质的区别。

2．改变内能的两种方式的比较：

做功热传递

内能变化外界对物体做功，物体的内能增加；物体

对外界做功，物体的内能减少

物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，

内能减少

物理实质其他形式的能与内能之间的转化

不同物体间或同一物体不同部分之间内

能的转移

相互

联系

做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的

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1．以下所述现象中，属于通过热传递改变了物体内能的是( )

A．将一段铁丝反复弯折，弯折处会发热

B．放在空气中的一杯热水会冷却

C．在转动的砂轮上磨车刀，车刀发热

D．电流通过电阻丝

解析：选B 不论物体是发热还是冷却，物体的温度都发生了变化，都是内能的改变。弯折铁丝是用力对物体做功，在转动的砂轮上磨车刀是摩擦力对车刀做功，电流通过电阻丝并做功，所以三者都是通过做功改变物体内能的，热水放在空气中，通过热辐射以及对流等方式向外传递了热量，而使自身的内能减少，温度下降，它是通过热传递方式改变内能的，所以应选B。

2．(多选)对于热量、功、内能这三个量，下列说法中正确的是( )

A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的

B．热量和功二者可作为物体内能的量度

C．热量、功和内能的国际单位都相同

D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的

解析：选CD 热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功、内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量；热量和功二者可作为物体内能改变的量度而不是内能大小的量度。故C、D正确。

3．关于物体的内能以及变化，以下说法正确的是( )

A．物体的温度改变时，其内能必定改变

B．物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能也不一定改变

C．物体对外做功，其内能必定改变，物体向外传出一定热量其内能必定改变

D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变

解析：选B 一定质量的物体，其内能由温度和体积共同决定。物体的温度改变时，其内能不一定改变，所以A错误；做功和热传递是改变物体内能的两种方式。若物体对外做功为W，同时吸收的热量为Q，且若W>Q，则物体的内能减少；若W＝Q，则物体的内能不变；若W

1．金属制成的汽缸中装有柴油与空气的混合物，有可能使汽缸中柴油达到燃点的过程是( )

A．迅速向里推活塞B．迅速向外拉活塞

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6 C ．缓慢向里推活塞 D ．缓慢向外拉活塞

解析：选A 迅速向里推活塞压缩气体时，对气体做功，使气体内能急剧增加，气体来不及向外传热，温度很快升高，达到柴油的着火点，使之燃烧起来。

2．(多选)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T 1比铁块的温度T 2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则( )

A ．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量

B ．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量

C ．达到热平衡时，铜块的温度T ＝T 1＋T 22

D ．达到热平衡时，两者的温度相等

解析：选AD 一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止，而热量是传热过程中内能的变化量，所以选项A 和D 都正确，选项B 错误。根据热平衡方程：c 铜m (T 1－T )＝c 铁m (T －T 2)，解得T ＝c 铜T 1＋c 铁T 2c 铜＋c 铁

，由此可知选项C 错误。 3．(多选)对于热量、功和内能三者的下列说法中正确的是( )

A ．三者单位相同，物理意义相同

B ．热量和功是内能的量度

C ．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定

D ．系统内能增加了100 J ，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J ，也可能是外界单纯地对系统传热100 J

解析：选CD 热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区别，A 错。热量和功由过程决定，内能由物体状态决定，热量和功是内能变化的量度，C 对，B 错。对一个绝热过程ΔU ＝W ＝100 J ，对一个单纯热传递过程ΔU ＝Q ＝100 J ，D 对。

4．汽缸中一定质量的理想气体内能增加了180 J ，下列说法中正确的是( )

A ．一定是外界物体做了180 J 的功

B ．一定是气体吸收了180 J 的热量

C ．一定是气体分子总动能增加了180 J

D ．物体分子热运动的平均动能可能不变

解析：选C 做功和热传递都可以改变物体的内能，气体的内能改变180 J ，其方式是不确定的，因此A 、B 两项错误。而理想气体的内能是所有分子动能的总和，总动能增加了，分子数没变，平均动能一定增加，故D 项错误，C 项正确。

5.如图1所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。以E 甲、E 乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中( )

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图1

A ．E 甲不变，E 乙减小

B ．E 甲不变，E 乙增大

C ．E 甲增大，E 乙不变

D ．

E 甲增大，E 乙减小

解析：选D 接触面是绝热面，拉动拉杆，对乙部分气体来讲，系统对外界做功，内能减小，温度降低；对甲部分气体来讲，外界对系统做功，内能增加，故D 对。

6.如图2所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒通过气针慢慢向容器内打气，使容器内的压强增加到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后(

)

图2

A ．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少

B ．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加

C ．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少

D ．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加

解析：选C 胶塞冲出容器口后，气体膨胀，对外做功，W ＜0。由于没时间进行热交换，由ΔU ＝W 可知内能减小。内能等于分子动能与势能之和，由于体积增大，势能增大，由此可知分子热运动的平均动能减小，所以温度降低，故C 正确。

7．一底端固定的斜面高0.6 m ，倾角是30°，质量为1 kg 的物块由顶端滑到底端，已知物块与斜面间的动摩擦因数为0.5，如果由摩擦损失的机械能全部变成了内能，求在这一过程中物块与斜面组成的系统的内能增加量。(g 取10 m/s 2)

解析：物块沿粗糙斜面下滑的过程中克服摩擦力做的功W ＝μmgs ·cos 30°，其中斜面长s ＝h sin 30°

，代入上式得W ＝μmgh cot 30°＝0.5×1×10×0.6× 3 J≈5.2 J。系统与外界之间可认为没有热交换，物块与斜面组成的系统的内能增加量ΔU ＝W ＝5.2 J 。

答案：5.2 J

8.气体温度计结构如图3所示。玻璃测温泡A 内充有理想气体，通过细玻璃管B 和水银压强计相连。开始时A 处于冰水混合物中，左管C 中水银面在O 点处，右管D 中水银面高出O 点h 1＝14 cm 。后将A 放入待测恒温槽中，上下移动D ，使C 中水银面仍在O 点处，测得D 中水银面高出O 点h 2＝44 cm 。(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76

8

cmHg)

图3

(1)求恒温槽的温度。

(2)此过程A 内气体内能________(选填“增大”或“减小”)，气体不对外做功，气体将________(选填“吸热”或“放热”)。

解析：(1)设恒温槽的温度为T 2，由题意知T 1＝273 K ，因为B 是细玻璃管，B 内气体变化对A 内气体影响很小，所以A 内气体发生等容变化。

由查理定律得p 1T 1＝p 2T 2

①

又p 1＝p 0＋p h 1② p 2＝p 0＋p h 2

联立①②③式解得T 2＝364 K 。

(2)理想气体的内能只由温度决定，A 内气体的温度升高，所以内能增大；气体不对外做功，由热量和内能的变化关系ΔU ＝Q 知，气体将吸热。

答案：(1)364 K (2)增大 吸热

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