1、第十章 热力学定律 1 功 和 内 能 2 热 和 内 能 必备知识自主学习 一、焦耳的实验【情境思考】问题:如何求得该装置机械能的减少量?提示:机械能的减少由水的质量和升高的温度以及水的比热容求得。1.绝热过程:系统只通过外界对它_或对外界_而与外界交换能量,它不 从外界_,也不向外界_。2.代表性实验:(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温_。(2)通过电流的_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_决定,而与_无关。做功 做功 吸热 放热 上升 热效应 状态 做功的方式 二、功和内能 1.内能:依赖于一个热力学系统_的物理量,是热力
2、学系统的一种能量。2.绝热过程中做功与内能变化的关系:_。三、热和内能 1.热传递:热量总是从_物体向_物体传递。2.热量和内能:(1)关系描述:热量是在单纯的热传递过程中系统_的量度。(2)公式表达:_。自身状态 U=W 低温 内能变化 U=Q 高温 【易错辨析】(1)内能多的物体含有的热量多。()(2)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。()(3)做功和热传递都可改变物体的内能,从效果上是等效的。()(4)在绝热过程中,外界对系统做的功小于系统内能的增加量。()(5)热传递只能发生在两个物体间,同一物体不能发生热传递。()关键能力合作学习 知识点一 做功与内能变化的关系 1.做功与内
3、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。2.功与内能的区别:(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。提醒:(1)外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加,还要看该系统有没有向外放热,以及向外放热的多少。(2)在绝热过程中,系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。【问题探究】幼儿园里一般都有滑梯,小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到
4、发热,这是为什么?提示:小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功,内能增加。【典例示范】考查角度1 做功与内能的改变【典例1】拥有私家车的人们越来越多,说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体,如图所示,要使该混合气体达到其燃点,则()A.迅速向外拉活塞 B.迅速向里推活塞 C.缓慢向里推活塞 D.缓慢向外拉活塞【解析】选B。气体压缩时外界对气体做功内能增大,气体膨胀时气体对外做功内能减少。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞迅速向里推,该汽缸内混合气体来不及与外界发生热交换,可以看作绝热过程,同时由于外界通过活塞对该气体做功,使该混合气体的内能增加,温度升高,从而达
5、到汽油燃点,故B对。考查角度2 改变物体内能方式的判断【典例2】(2019珠海高二检测)对于一个热力学系统,下列关于改变系统内能方式的说法正确的是()A.如果外界对它传递热量则系统内能一定增加 B.如果外界对它做功则系统内能一定增加 C.如果系统的温度不变则内能一定不变 D.系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和【解析】选D。系统吸收热量,可能同时对外做功,内能不一定增加,故选项A错误;外界对系统做功,系统可能同时放热,系统的内能不一定增加,故选项B错误;如果系统的温度不变,物态发生变化,则内能一定变化,故选项C错误;系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和,故选
6、项D正确。【规律方法】分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下,若外界对系统做正功,系统内能增加,U为正值;若系统对外界做正功,系统内能减少,U为负值。此过程做功的多少为内能转化的量度。(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为恒量,这也是判断绝热过程的一种方法。【素养训练】1.(多选)车轮的轮胎在正常情况下是充满气体的,但在维修车轮时有时要将轮胎内的气体放掉。若迅速拔掉轮胎的气门芯,如图所示,轮胎里面的气体会在一瞬间释放出来,此时用手立即去触摸充气嘴处,会感
7、觉到充气嘴的温度降低,这种现象在夏天比较明显。将轮胎内的气体视为理想气体,喷气时间极短,视轮胎为绝热材料,下列说法正确的是()A.轮胎内气体在喷出过程中其内能迅速减小 B.轮胎内部气体压强迅速减小 C.轮胎内部气体迅速向外喷出是由于分子做扩散运动引起的 D.气体喷完后瞬间充气嘴有较凉的感觉,是由于轮胎内气体迅 速膨胀对外做功而温度下降导致的【解析】选A、B、D。轮胎为绝热材料,Q=0,向外喷射气体时气体体积增大,气体 对外做功,W0,根据热力学第一定律 U=W+Q可知 U0,所以轮胎内气体在喷出 过程中其内能迅速减小,A正确;理想气体的内能只有动能,轮胎放气时,胎内气体 迅速膨胀对外做功,内能
8、减小,分子的平均动能减小,由于温度是分子平均动能的 标志,所以温度会下降,根据理想气体状态方程 =C可知,体积变大,温度下降,其 压强会迅速减小,B、D正确;轮胎内部气体迅速向外喷出是由于轮胎内外压强差 引起的,不是分子做扩散运动引起的,C错误。故选A、B、D。pVT2.如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,面积为0.1 m2,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm,现在活塞上方加一15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少?(p0=1.01105 Pa,g取10 m/s2)【解析】由于汽缸及活塞均绝
9、热,故外界对气体所做的功全 部转化为气体的内能,即 U=W外=(m活塞+m物体)g h+p0S h=(5+15)100.1 J+1.011050.10.1 J=1 030 J 答案:1 030 J【加固训练】1.金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气,打开筒的开关,筒内高压空气迅速向外溢出,待筒内、外压强相等时,立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下,经过一段较长的时间后,再次打开开关,这时出现的现象是()A.筒外空气流向筒内 B.筒内空气流向筒外 C.筒内、外有空气交换,处于动态平衡,筒内空气质量不变 D.筒内、外无空气交换【解析】选B。因高压空气急剧外溢时,气体来不及充分与外界发生热交换,可近
10、似看成绝热膨胀过程,气体对外做功,内能减小,所以关闭开关时,筒内气体温度较外界偏低,再经过较长时间后,筒内、外气体温度相同。对筒内剩余气体分析,属于等容升温过程,压强要增大,大于外界气压,所以再打开开关时,筒内气体要流向筒外,B对。2.冬季,由于温度太低,很难启动摩托车。这时驾驶者往往先关闭油门,连续踏下启动摇杆若干次,然后再打开油门,踏下启动摇杆即可启动,运用的原理是什么?【解析】连续踏下启动摇杆,活塞不断压缩汽缸里的气体做功,增加气体的内能,使气体的温度升高,当达到汽油的燃点后,即可启动。答案:见解析 知识点二 功、内能、热量和温度的区别与联系 1.内能与温度:从宏观上看,温度表示的是物体
11、的冷热程度;从微观上看,温度反映了分子热运动的剧烈程度,是分子平均动能的标志。物体的温度升高,其内能一定增加。但向物体传递热量,物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。2.热量和内能:(1)内能是由系统的状态决定的,状态确定,系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化,可以通过热传递和做功两种方式来完成。(2)热量是热传递过程中的特征物理量,热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量,是用来衡量物体内能变化的,有过程,才有变化,离开过程,毫无意义。(3)对某一状态而言,只有“内能”,根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。3.热量与温度:热量是系统的内能变化的量度,而
12、温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差,传递的是热量而不是温度。4.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。5.改变内能的两种方式的比较:比较项目做 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 提
13、醒:(1)内能与热量的区别:内能是状态量,由系统的状态决定;热量是过程量,由热传递过程决定。(2)内能的改变与热量的联系:在单纯的热传递过程中,系统内能的增加量等于外界向系统传递的热量。【问题探究】情境:如图所示是热传递的三种方式传导、对流和辐射,请在图片基础上思考以下问题:讨论:(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点?提示:热量从高温处向低温处传递。(2)热传递和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同?提示:热传递改变内能是能量的转移过程,做功改变内能是能量的转化过程。【典例示范】【典例】关于温度、热量、功和内能,以下说法正确的是()A.同一物体温度高时,含
14、有的热量多 B.物体的内能越大,含有的热量就越多,温度也越高 C.外界对系统做功W,内能必定增加 D.发生热传递的条件是两物体之间存在温度差【解析】选D。热量是物体间进行热传递时内能转移的量度,不能说物体含有多少热量,A、B错误;由于做功和热传递都可引起物体内能的变化,只根据做功无法准确判断物体内能的变化,C错误;物体间发生热传递的条件是存在温度差,D正确。故选D。【误区警示】热传递、做功和内能的改变的认知误区(1)误认为有热传递或做功时,内能一定变化。如果只是做功或只是进行热量传递都会改变物体的内能,但是如果做功的同时还有热量的传递,则内能不一定会发生变化。(2)对做功与内能变化关系认识不清
15、。在判断内能增加或减小时,一定要搞清是对内做功还是对外做功,是从外界吸收热量还是向外界放出热量。【素养训练】1.关于物体内能与热量、做功的关系,以下说法正确的是()A.物体内能的多少可以用物体吸热或放热的多少来量度 B.内能大的物体热量多 C.两物体发生热传递,达到平衡后,它们的内能必定相等 D.做功和热传递对于改变物体内能是等效的【解析】选D。物体的内能的变化可以用物体吸热或放热的多少来量度,故A错误。热量是热传递的能量多少的量度,不是内能的量度,故B错误。物体发生热传递,达到平衡后,温度相等,而不是内能相等,内能除了与温度有关,还与物质的量有关,故C错误。做功和热传递对于改变物体内能是等效
16、的,故D正确。2.(多选)下列说法正确的是()A.做功和热传递在改变物体内能上是等效的 B.每一个分子都有势能和动能,分子动能与分子势能之和就是分子内能 C.只有热传递才可以改变物体的内能 D.一定质量的理想气体的内能只与温度有关,温度越高,内能越大【解析】选A、D。做功和热传递在改变物体内能上是等效的,A正确;分子势能存在于分子之间,单个的分子不存在分子势能,组成物质的所有分子动能与分子势能之和是物体的内能,故B错误;做功与热传递都可以改变物体的内能,故C错误;一定质量的理想气体的内能只与温度有关,温度越高,内能越大,D正确。【加固训练】1.(多选)下列说法中正确的是()A.做功和热传递是改
17、变物体内能的两种本质不同的物理过程:做功使物体的内能改变,是其他形式的能和内能之间的转化;热传递则不同,它是物体内能的转移 B.外界对物体做功,物体的内能一定增大 C.物体向外界放热,物体的内能一定增大 D.热量是在热传递中,从一个物体向另一个物体或物体的一部分向另一部分转移内能的多少【解析】选A、D。做功和热传递改变物体内能的本质不同,因为做功的过程一定是不同形式的能相互转化的过程,而热传递是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移,故A选项正确。物体内能的变化取决于做功和热传递两种途径,单就一个方面不足以断定其内能的变化,故B、C选项不正确。热量是内能转移的量度
18、,D选项正确。2.关于热量、功和内能三个物理量,下列说法中正确的是()A.热量、功和内能三者的物理意义相同,只是说法不同 B.热量、功都可以作为物体内能变化的量度 C.热量、功和内能的单位不同 D.功由过程决定,而热量和内能由物体的状态决定【解析】选B。热量、功和内能是三个不同的物理量,它们的物理意义不同,故A错误;功与热量都是能量转化的量度,热量和功都可以作为物体内能变化的量度,故B正确;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳,故C错误;功和热量由过程决定,内能由物体的状态决定,故D错误。【拓展例题】考查内容:对内能概念的理解 【典例】分子动理论中是怎样引入系统内能概念的?热力学中是怎样引入系统
19、内能概念的?为什么说它们是一致的?【解析】分子动理论中是从微观角度引入系统内能的概念,即系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫作系统的内能。热力学中是从宏观角度引入系统内能的概念,即内能是状态量,当系统的温度、体积改变时,系统的内能就要改变。由于系统中分子热运动的动能和分子势能是由系统的温度和体积决定的,故以上两种说法本质上是一致的。答案:见解析 课堂检测素养达标 1.(多选)通过做功改变物体内能的是()A.古人钻木取火 B.用火炉把水烧开 C.用打气筒打气,筒壁变热 D.瓶内的高压气体将瓶塞冲开,瓶内气体的温度降低【解析】选A、C、D。钻木取火、用打气筒打气筒壁变热、瓶内的
20、高压气体将瓶塞冲开瓶内气体的温度降低都是通过做功的方式改变物体内能的,用火炉把水烧开是通过热传递的方式改变物体内能的,A、C、D正确,B错误。故选A、C、D。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】选D。物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定,不是只由温度决定,A、B错误;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
21、增大,内能小的物体内能继续减小,C错误;热传递过程中内能转移的多少用热量来量度,D正确。故选D。3.(2019烟台高二检测)在一锅正在沸腾的水中,一个小气泡由底层缓慢地升到液面,上升过程中气泡的压强不断减小,则气泡在上浮过程中()A.内能增大 B.内能减小 C.外界对气泡做功 D.吸收热量【解析】选D。气泡缓慢上升的过程中,外部的压强逐渐减小,由于外部恒温(100),根据pV=CT,所以体积增大,气泡膨胀对外做功,温度不变,则内能不变,故选项A、B错误;气泡内能不变,同时对外做功,所以必须从外界吸收热量,故选项C错误,选项D正确。4.如图所示,活塞将汽缸分成甲、乙两气室,汽缸、活塞(连同拉杆)
22、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()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。本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程,内能改变取决于做功的情况。对甲室内的理想气体,在拉杆缓慢向外拉的过程中,活塞左移,压缩气体,外界对甲室气体做功,其内能应增大;对乙室内的气体,活塞左移,气体膨胀,气体对外界做功,内能应减小。5.各种方法使物体的内能发生改变:a.电炉通电后发热;b.一杯开水放在桌面上冷却;c.阳光照射下冰块融化;d.锯木头时,锯片发烫;e.人坐在火炉旁取暖;f.用打气筒给自行车打气后,打气筒变热。其中属于做功使物体内能改变的是_;属于热传递使物体内能改变的是_。【解析】a.电炉通电后发热是电流做功,使电炉发热;b.一杯开水放在桌面上冷却,是水的热量向空气中传递,水温下降;c.阳光照射下冰块融化:太阳的热传递到冰块上,使冰吸热融化;d.锯木头时,锯片发烫,锯子摩擦木头做功,产生热量;e.人坐在火炉旁取暖,火炉的温度传递到人的身上,使人感觉暖和;f.用打气筒给自行车打气后,打气筒变热,打气筒的活塞摩擦筒壁产生热量,是做功。答案:a、d、f b、c、e
