高中物理 第三章 热力学基础 第一讲 内能 功 热量教案 粤教版选修33.docx
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高中物理第三章热力学基础第一讲内能功热量教案粤教版选修33
第一讲 内能 功 热量
[目标定位] 1.知道热传递的实质.2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式,明确两种方式的区别.3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系.
一、内能
1.定义:
物体内部所有分子做热运动的动能和分子势能的总和.
2.影响因素:
物体的内能由物体的温度、体积、物质的量共同决定.
二、改变物体内能的两种方式
1.做功
在绝热过程中内能的改变用功来量度.外界对物体做多少功,物体的内能就增加多少;物体对外界做多少功,物体的内能就减少多少.
2.热传递
(1)热传递:
高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体,这种没有做功而使物体内能改变的现象称为热传递.
(2)热量:
热传递过程中物体内能变化的量度.
(3)在系统与外界互不做功的条件下系统吸收了多少热量,系统的内能就增加多少;系统放出了多少热量,系统的内能就减少多少.
解决学生疑难点
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一、功和内能关系的理解
1.内能
(1)微观:
所有分子的动能和势能之和.
(2)宏观:
只依赖于热力学系统自身状态的物理量.
(3)状态量.
2.功和内能变化的关系
做功可以改变系统的内能,功是系统内能转化的量度,在绝热过程中:
(1)外界对系统做功,系统内能增加,即ΔU=U2-U1=W;
(2)系统对外界做功,系统内能减少,即ΔU=W.
3.内能与机械能的区别和联系
(1)区别:
内能与机械能是两个不同的概念.
(2)联系:
在一定条件下可以相互转化,且总量保持不变.
例1
如图1所示,活塞将气缸分成甲、乙两气室,气缸、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( )
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
答案 D
解析 本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程,内能的改变取决于做功的情况,对甲室内的气体,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,内能就减少,故D选项正确.
借题发挥
(1)压缩气体,外界对气体做功,内能增大,温度升高,柴油机就是利用这个原理点火的.
(2)在绝热过程中,末态内能大于初态内能时,ΔU为正,W为正,外界对系统做功,末态内能小于初态内能时,ΔU为负,W为负,系统对外界做功.
例2
下列关于系统的内能的说法正确的是( )
A.系统的内能是由系统的状态决定的
B.分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的
C.做功可以改变系统的内能,但单纯地对系统传热不能改变系统的内能
D.气体在大气中绝热膨胀时对外做了功,但气体的内能不变
答案 AB
解析 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量,所以是由系统的状态决定的,A对;正因为内能是由系统的状态决定的,所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的,B对;做功和热传递都可以改变系统的内能,C错;气体绝热膨胀时对外界做了功,又因为与外界没有热交换,所以系统的内能要减小,故D错.
二、热和内能
1.传热和内能变化的关系
系统在单纯传热过程中,内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q.
2.区分三组概念
(1)内能与热量:
内能是状态量,可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能;热量是过程量,不能说系统具有多少热量,只能说传递了多少热量.
(2)热量与温度
热量是系统的内能变化的量度,而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志.虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差,但是传递的是能量,不是温度.
(3)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,功是能量变化的量度,但它们之间有着本质的区别.
例3
一铜块和一铁块,质量相等,铜块的温度T1,比铁块的温度T2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=
D.达到热平衡时,两者的温度相等
答案 AD
解析 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,而热量是热传递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(T1-T)=c铁m(T-T2),解得T=
,由此可知选项C是错误的.
例4
若对物体做1200J的功,可使物体温度升高3℃,改用传热的方式,使物体温度同样升高3℃,那么物体应吸收________J的热量,如果对该物体做3000J的功,物体的温度升高5℃,表明该过程中,物体应________(填“吸收”或“放出”)热量________J.
答案 1200 放出 1000
解析 做功和传热在改变物体内能上是等效的,因此物体用做功方式使温度升高3℃,如用吸热方式,也使温度升高3℃应吸收1200J的热量.
如对物体做功3000J,温度升高5℃,而物体温度升高5℃,需要的功或热量应为ΔE.
1200J=cm×3℃,ΔE=cm×5℃,
所以ΔE=2000J.
Q=ΔE-W=-1000J,
因此物体应放出1000J的热量.
做功与内能的关系
1.在下述各种现象中,不是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
答案 AC
解析 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A、C不是由做功引起温度变化的,故选A、C.
2.一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程.设气体分子间的势能可忽略,则在此过程
中( )
A.外界对气体做功,气体分子的平均动能增加
B.外界对气体做功,气体分子的平均动能减少
C.气体对外界做功,气体分子的平均动能增加
D.气体对外界做功,气体分子的平均动能减少
答案 D
解析 绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递,膨胀过程气体体积增大,气体对外界做功W<0.由ΔU=U2-U1=W可知,气体内能减小.由于气体分子间的势能忽略,故气体分子的平均动能减小.
传热与内能的关系
3.关于热传递,下列说法中正确的是( )
A.热传递的实质是温度的传递
B.物体间存在着温度差,才能发生热传递
C.热传递可以在任何情况下进行
D.物体内能发生改变,一定是吸收或放出了热量
答案 B
解析 热传递的实质是物体间内能的转移,故A错;热传递的条件是物体间存在温度差,高温物体放出热量,低温物体吸收热量,若两物体温度相同,它们之间便不再发生热传递,即达到了热平衡,故B对、C错;物体吸收或放出热量,内能会发生变化,但内能变化不一定是热传递引起的,还可以通过做功的方式实现,故D错.
4.对于热量、功和内能,三者的说法正确的是( )
A.热量、功、内能三者的物理意义等同
B.热量、功都可以作为物体内能的量度
C.热量、功、内能的单位不相同
D.热量和功是由过程决定的,而内能是由物体状态决定的
答案 D
解析 物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和,而要改变物体的内能可以通过做功或热传递两种途径,这三者的物理意义不同,A错;热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的,而功也是量度用做功的方式来改变物体内能多少的,B错;三者单位都是焦耳,C错;热量和功是过程量,内能是状态量,D正确.
(时间:
60分钟)
题组一 做功与内能的变化
1.用下述方法改变物体的内能,不属于做功的方式是( )
A.用锤子打铁时,铁块发热
B.用磨刀石磨刀时,刀发热
C.双手互搓,手发热
D.用天然气烧水
答案 D
解析 A、B、C中的过程都是力对系统(铁块、刀、手)做功,内能增加和温度升高的过程.而D中的用天然气烧水则是通过热传导和热对流来实现水温升高的.
2.在给自行车轮胎打气时,会发现胎内空气温度升高,这是因为( )
A.胎内气体压强不断增大,而容积不变
B.轮胎从外界吸热
C.外界空气温度本来就高于胎内气体温度
D.打气时,外界不断地对胎内气体做功
答案 D
解析 给自行车轮胎打气,人对胎内气体做功,气体内能增加,所以温度升高.
3.一定质量的气体封闭在绝热的气缸内,当用活塞压缩气体时,一定增大的物理量有(不计气体分子势能)( )
A.气体体积B.气体分子数
C.气体内能D.气体分子的平均动能
答案 CD
解析 绝热过程外力对系统做功,气体内能增加,温度升高,分子平均动能增加.
4.如图1所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图,M,N两筒间密闭了一定质量的气体,M可沿N的内壁上下滑动.设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中( )
图1
A.外界对气体做功,气体内能增大
B.外界对气体做功,气体内能减小
C.气体对外界做功,气体内能增大
D.气体对外界做功,气体内能减小
答案 A
解析 因为M、N内被封气体体积减小,所以外界对气体做功,又因气体与外界没有热交换即绝热过程,所以ΔU=W,且ΔU>0,气体内能增加,A正确.
5.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,使容器内的压强增大到一定程度,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,内能增大
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,内能增大
答案 C
解析 打开卡子,胶塞冲出容器口后,密封气体体积增大,气体膨胀对外做功,气体内能减少,同时温度降低,温度计示数变小.
题组二 热传递与内能
6.热传递的规律是( )
A.热量从内能大的物体传给内能小的物体
B.热量从内能较小的物体传给内能较大的物体
C.热量从温度高的物体传给温度低的物体
D.热量从高温内能大的物体传给低温内能小的物体
答案 C
解析 自发的热传递的方向是从温度高的物体传给温度低的物体,与物体的内能大小无关.
7.下列关于内能与热量的说法中,正确的是( )
A.马铃薯所含热量高
B.内能越大的物体热量也越多
C.热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体
D.热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体
答案 D
解析 选项A是一种很常见的说法,在日常生活中似无须计较,但从物理学的角度来看,却有不妥,热量是过程量,不是状态量,不能像内能那样蕴含在物体中,选项A错;说法B与说法A存在相同的错误,此外,物体的内能与热量之间,在数量上没有必然联系,选项B错;两物体之间热量的流向只与它们的温度有关,与它们的内能无关,选项C错.
8.在一个完全真空的绝热容器中放入两个物体,它们之间没有发生热传递,这是因为( )
A.两物体没有接触
B.两物体的温度相同
C.真空容器不能发生热对流
D.两物体具有相同的内能
答案 B
解析 发生热传递的条件是有温度差,而与物体内能的多少、是否接触周围的环境(是否真空)无关,故选项B正确,A、C、D错误.
题组三 综合题组
9.物体由大量分子组成,下列说法正确的是( )
A.分子热运动越剧烈,物体内每个分子的动能越大
B.分子间引力总是随着分子间距离的减小而减小
C.物体的内能跟物体的温度和体积有关
D.只有外界对物体做功才能增加物体的内能
答案 C
解析 分子热运动越剧烈,分子的平均动能越大,但不一定是每个分子的动能都大,故A错;分子间的引力和斥力都是随着分子间距离的减小而增大,故B错;物体的内能由物质的量、物态、体积及温度决定,即所有分子动能和分子势能之和,故C正确;物体内能的变化由做功和热传递共同决定,故D错.
10.如图3所示,A、B是两个完全相同的球,分别浸没在水和水银的同一深度处,A、B两球用同一种材料制成,当温度稍微升高时,球的体积会明显变大,如果开始水和水银的温度相同,且两液体温度同时缓慢升高到同一值,两球膨胀后,体积相等,则( )
图3
A.A球吸收的热量较多
B.B球吸收的热量较多
C.两球吸收的热量一样多
D.无法确定
答案 B
解析 A、B两球升高同样的温度,体积变化又相同,则二者内能的变化相同,而B球是处在水银中的,B球膨胀时受到的压力大,对外做功多,因此B球吸收热量较多一些.
11.在外界不做功的情况下,物体的内能增加了50J,下列说法中正确的是( )
A.一定是物体放出了50J的热量
B.一定是物体吸收了50J的热量
C.一定是物体分子动能增加了50J
D.物体的分子平均动能可能不变
答案 BD
解析 在外界不做功的情况下,内能的改变量等于传递的热量,内能增加,一定是吸收了相等能量的热量,故A错、B对;物体内能包括所有分子的动能和势能,内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定,所以内能增加了50J并不一定是分子动能增加了50J.物体的分子平均动能有可能不变,这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能.
12.如图4所示的容器中,A、B中各有一个可自由移动的活塞,活塞下面是水,上面是大气,大气压恒定,A、B的底部由带阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热.打开阀门前,A中水面比B中水面高,打开阀门后,A中的水逐渐向B中流,最后达到同一高度,在这个过程中( )
图4
A.大气压力对水做功,水的内能增加
B.水克服大气压力做功,水的内能减少
C.大气压力对水不做功,水的内能不变
D.大气压力对水不做功,水的内能增加
答案 D
解析
打开阀门K稳定后,容器A、B中的水面相平,相当于图中画斜线部分的水从A移到B,这部分水的重力势能减少了,即重力对水做了功,同时大气压力对A容器中的水做正功为p0SAhA,对B容器中的水做负功为p0SBhB,因为两部分水的体积相等,所以大气压力对水做的总功为零.由于容器绝热,系统与外界之间没有热交换,而重力对系统做正功,故水的内能增加.
13.
(1)某同学做了一个小实验;先把空的烧瓶放入冰箱冷冻,一小时后取出烧瓶,并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上,然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里,气球逐渐膨胀起来,如图5所示.这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________,温度____________,体积____________.
图5
(2)若只对一定质量的理想气体做1500J的功,可使其温度升高5K.若改成只用热传递的方式,使气体温度同样升高5K,那么气体吸收________J的热量.如果对该气体做了2000J的功,使其温度升高了5K,表明在该过程中,气体还________(选填“吸收”或“放出”)热量________J.
答案
(1)热量 升高 增大
(2)1500 放出 500
解析
(1)烧瓶和烧瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量,温度升高,体积增大.
(2)做功和热传递在改变物体内能上是等效的,因此对气体做功1500J使温度升高5K,
如用吸热方式,也使温度升高5K应吸收1500J的热量.
如果对气体做功2000J,温度升高5K,
则气体内能增加ΔU=1500J,
由W+Q=ΔU,
知Q=ΔU-W=-500J,
因此,气体应放出热量500J.
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