1、大约在280年前,有位德国博士奥尔菲留斯发明了一台“永动机”自动轮。当时波兰国王把这位博士请到了波兰,并派人鉴定其真伪。奥尔菲留斯把安装机器的房子与四周隔离,自动轮安装完毕并开始转动。公证人亲自锁上了门,贴上了封条,派了两名卫兵昼夜看守这座房子。两周以后启封开锁,轮子还在转动,于是再次上锁加封,又过了40天再次开封,轮子还在转,于是就给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书。从此以后奥尔菲留斯名声大噪,他周游欧洲列国展示他的自动轮,卖票赚了许多钱,并得到各国大人物的褒奖和舆论界的赞扬。科学界一直认为这绝对是一个大骗局,并且悬赏1000马克给揭穿骗局的人。最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房
2、子里修了一个夹壁墙,只要有人在夹壁墙内牵动绳子,轮子就会转。轮子不是“永动”的,而是“人动”的。课时10.1功 和 内 能1.知道什么是绝热过程,了解焦耳的两个实验的原理。2.从热力学的角度认识内能的概念。3.知道内能和功的单位是相同的,知道做功是改变内能的两种方式之一,理解做功与内能改变的数量关系。4.通过焦耳实验的探究,培养学生的科学探索精神。重点难点:建立内能概念;知道绝热过程中做功的数量仅由过程的始、末两个状态决定,不依赖于做功的具体过程和方式;采用类比法引入内能的定义。从热力学的角度认识内能的概念,理解在绝热条件下做功与内能改变的关系。教学建议:本节教学从演示实验出发,通过研究功和内
3、能关系的实验,引入系统内能的概念,得出做功与系统内能变化之间的关系。教学中应遵循如下的主要线索:第一,做好教科书中的演示实验,引导学生得出结论;第二,通过阅读,学生自主学习、介绍绝热过程;第三,分组讨论、协作完成探究焦耳实验,得出结论:在绝热过程中,只要做功的数值相同,系统温度上升的数值就相同,即系统的状态变化相同;第四,讨论交流,从力学重力做功与物体重力势能之间的联系中,类比引入表征系统状态的能量内能;第五,区分和联系本节的内能定义与第七章中的内能定义。导入新课:“火”不但可以用来取暖,还可以用来加热食物,“火”把人类带入了文明的殿堂。我们的祖先很早就发明了“钻木取火”的用具,使人们不再仅仅
4、依靠自然的“恩赐”而得到“火”。你知道“钻木取火”的道理吗?1.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,也不向外界散热。(2)代表实验重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。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,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关。2.功和内能(1)任何一个热力学系统都存在一个只依赖于系统自身状态的物理量,叫系统的内能。(2)做功可以改变系统的内能,功是系统内能转化的量度,在国际单位制中,内能和功的单位都是焦耳(J)。(3)内能变化与做功的关系:在绝热过程中,外界对系统做功,系统
5、的内能增加。内能的增量就等于外界对系统做的功,即U=U2-U1=W。在绝热过程中,系统对外界做功,系统的内能减少。内能的减少量就等于系统对外界做的功,即U=U2-U1=W。1.日常生活中有哪些做功会使物体温度升高的例子?解答:在给自行车轮胎打气时,打气筒也会变热,这是压缩空气做功和克服摩擦力做功的缘故。将一根铁丝反复弯折数十次,铁丝被弯折处发热,铁丝内能的改变是由于人对铁丝做了功。2.用锤子反复敲打一铁块,铁块会发生怎样的变化?为什么?解答: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.判断下列说法是否正确
6、。(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。(2)功和内能都是能量转化的量度。解答:(1)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,故(1)错。(2)功是能量转化的量度,内能不是能量转化的量度,故(2)错。主题1:实验探究做功和物体内能的变化问题:阅读课本“焦耳的实验”标题下的内容,回答下列问题。(1)焦耳的两个实验为什么都要强调“绝热过程”?(2)在有机玻璃筒底放少量棉花,压下活塞,观察棉花的变化,你能看到什么现象?实验现象说明了什么?(3)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?解答:
7、(1)只有在绝热的条件下,才能探究出做功与内能改变的定量关系。(2)可以看到棉花燃烧的现象。实验现象说明压缩空气做功,使空气内能增大,达到棉花的燃点后引起棉花燃烧。(3)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。知识链接:绝热过程中,系统只通过做功与外界交换能量,它不吸热也不放热。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。主题2:内能问题:(1)从做功的角度,如何来定义系统的内能?(2)绝热过程中如何使物体内能发生变化?如何计算内能的增量?解答:(1)任何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
8、态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能。(2)在绝热过程中,外界对物体做功或物体对外界做功均能引起物体内能的变化。外界对系统所做的功W等于系统从状态1到状态2时内能的增加量,即W=U=U2-U1,实质是其他形式的能和系统内能相互转化的过程。知识链接:在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化。物体的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,内能变化较大时,对应做的功较多。1.(考查做功对内能的影响)把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒的底部,当快速下压活塞时,能使浸有乙醚的棉花燃烧起来,此实验的目的是要说明()。A.做功可以升高物体的温度B.做功可以改变物体的
9、内能C.做功一定可以增加物体的内能D.做功可以增加物体的热量【解析】做功可以使物体的内能增加,但不是一定增加。物体的内能为物体内所有分子动能和势能的总和,内能的增加,不一定是分子动能的增加,如通过做功使0 的冰变成0 的水。所以B正确。【答案】B【点评】内能的变化有增加和减少两种情况,在绝热条件下,外界对系统做正功,系统内能增加;系统对外界做正功,系统内能减少。2.(考查做功对内能的影响)在一个绝热汽缸里,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
10、。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选项正确。【答案】BD【点评】绝热过程中,外界对气体做功,内能增加,气体的温度升高;相反,如果气体对外界做功,内能减小,气体的温度降低。3.(考查做功与热传递的区别)下列实例能说明做功改变了系统的内能的是()。A.用热水袋取暖B.用双手摩擦给手取暖C.把手放在火炉旁取暖D.用嘴对手呵气给手取暖【解析】双手摩擦做功,使手的内能增加,感到暖和,所以B选项正确;A、C、D都是通过热传递来改变系统的内能。【答案】B【点评】正确认识热量、功和内能三者的关系,热传递和做功均可引起内能的变化,而且是等效的。4.(考查功能关系的实例分析)
11、在墙壁与外界无热传递的封闭房间里,夏天为了降低室温,同时打开电冰箱和电风扇,两电器在工作较长时间后,房间内的气温将会怎样变化?并说明原因。【解析】电冰箱工作时只是把箱内的热量转移到箱外,起到对箱内降温的作用;电风扇的扇页转动带动空气流动,加快空气对流,不能起到降温作用。如把房间及其内的所有物品(包括电冰箱和电风扇)看作绝热系统,电冰箱、电风扇消耗电能,电能最后都转化为内能,系统内能增大,因而房间内温度升高。【答案】见解析【点评】做功是能量转化的量度,在热现象中,做功的过程是其他形式的能与内能发生转化。一个物体的内能是无法测量的,但内能的变化可以通过做功或热传递来求出。拓展一:对焦耳实验的理解1
12、.图示为焦耳实验装置图,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()。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【分析】解答此题的关键是注意热量、功、内能的区别与联系。【解析】该实验测定做功和内能变化的关系,可以测定热功当量,A正确;该实验是绝热过程,没有热传递,内能的改变是由于做功引起的,C正确;做功表示能量的转化,而热量只能在热传递的过程中才能使用,B错误;功和热量是两个本质不同的概念,只是在改变内能上是等效的,故D错误。【答案】AC【点拨】用做功来改变系统的内能
13、,是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程。热量和功,都是系统内能变化的量度,都是过程量,一定量的热量还与一定量的功相当,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。拓展二:做功和内能变化的关系2.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,气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力,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【分析】明确研究对象是密闭的气体,由功和内能的关系得出温度的变化,再利用理想气体状态方程求解。【解析】F对密闭的气体做功,容器及活塞绝热,则Q=0,由功和内能的关系知理想气体内能增大,T升高,再根据=C可知,V减小,p增大,故选C。【答案】C【点拨】对于一定质量的气体,分析对气体做功情况时,可根据气体的体积变化做出判断。气体膨胀,气体对外界做功;气体压缩,外界对气体做功,但气体向真空自由膨胀时不做功。功和内能