第十章第一节 功和内能

1功和内能2热和内能[学习目标] 1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和热传递的实质.2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解做功和热传递对改变系统内能是等效的，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、焦耳的实验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．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．内能微观：所有分子热运动的动能和分子势能之和．宏观：只依赖于热力学系统自身状态的物理量．2．功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的增加量，即ΔU＝W. 3．(1)ΔU＝W适用条件是绝热过程．(2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少．三、热和内能1．热传递(1)条件：物体的温度不同．(2)热传递：热量总是从高温物体向低温物体传递．2．热和内能(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度．(2)表达式：ΔU＝Q.(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同．①做功和热传递都能引起系统内能的改变．②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．[即学即用]1．判断下列说法的正误．(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．(×)2．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________．答案adf bce一、功和内能[导学探究](1)在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个实验是通过电流的热效应给水加热．焦耳的这两个实验说明了什么问题？(2)如图1，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，压下活塞，观察棉花的变化．图1①你能看到什么现象？实验现象说明了什么？②图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？(3)如图2，小孩沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热，这是为什么？图2答案(1)做功和热传递对改变物体的内能是等效的．(2)①可以看到棉花燃烧．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．②迅速按下活塞是为了减少甚至杜绝热传递，创造一个绝热条件．(3)小孩沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加．[知识深化]1．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．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．特别提醒(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．例1如图3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()图3A．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，外界对甲室内的气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能应减小．1．在绝热过程中，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．二、热和内能[导学探究](1)用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在碳火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？(2)如图4所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射．图4①这三种方式在传递能量时有什么共同点？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？答案(1)说明做功和热传递都能改变物体的内能．(2)①三种方式都是热量从一个物体传递到另外一个物体．②热传递是内能在物体间(或一个物体的不同部分)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化．[知识深化]1．在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.2．传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程．例2(多选)关于热传递，下列说法正确的是()A．热传递中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体B．两个物体间发生热传递的条件是它们之间有温度差C．在热传递中热量一定从内能多的物体传向内能少的物体D．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递答案BD解析热量的概念只有在涉及热传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，A错误；物体间发生热传递的条件是物体间存在温度差，B正确；在热传递中，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，温度高的物体内能不一定多，故C错误，D正确．1．热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．2．热传递过程中，热量可以由内能大的物体传递到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传递到内能大的物体上．三、内能和相关概念的辨析1．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”，不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．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．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，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．4．改变内能的两种方式的比较例3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答案 D解析热量是物体间进行热传递时内能的转移，不能说物体含有多少热量，故A、B错；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，故C 错；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D对．物理量之间进行比较时，关键是弄清物理量的概念及其意义，特别是容易混淆的一些概念，它们一定有不同之处，如内能、功和热量的区别关键之处是状态量与过程量.例4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答案 D解析物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，故选项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增大，内能小的物体内能继续减小，故选项C错误；关于热量的论述，选项D是正确的．1.(功与内能的关系)(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答案ACD2．(热和内能的关系)下列例子中通过热传递改变物体内能的是()A．用砂轮磨刀具的时候，刀具的温度升高B．灼热的火炉使周围物体的温度升高C．手感到冷时，搓搓手就会觉得暖和些D．擦火柴时，火柴头上的易燃物质燃烧起来答案 B3．(热量、功与内能的关系)(多选)对于热量、功、内能三个量，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大小的量度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答案CD解析热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和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A、B错误，C、D正确．一、选择题考点一功与内能的关系1．(多选)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．(多选)一定质量的气体封闭在绝热的汽缸内，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．气体分子密度C．气体内能D．气体分子的平均动能答案BCD解析绝热过程外力对系统做功，内能增加，温度升高，分子平均动能增加．3．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1A．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，气体内能增大，A正确．4．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．用打气筒缓慢地向容器内打气，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2A．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．考点二热和内能5．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传向内能小的物体D．热量自发地从温度高的物体传向温度低的物体答案 D6．(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法中正确的是() A．一定是物体放出了50 J的热量B．一定是物体吸收了50 J的热量C．一定是物体分子动能增加了50 JD．物体分子的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50 J，一定是吸收了50 J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50 J并不一定是分子动能增加了50 J．物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能．考点三综合应用7．关于内能、温度和热量，下列说法中正确的是()A．物体的温度升高时，一定吸收热量B．物体沿斜面下滑时，内能将增大C．物体沿斜面匀速下滑时，内能可能增大D．内能总是从高温物体传递给低温物体，当内能相等时热传递停止答案 C8．某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么()A．外界对胎内气体做功，气体内能减小B．外界对胎内气体做功，气体内能增大C．胎内气体对外界做功，内能减小D．胎内气体对外界做功，内能增大答案 D解析中午，车胎体积增大，故胎内气体对外界做功，胎内气体温度升高，故胎内气体内能增大，D项正确．9.如图3所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在此过程中()图3A．气体对外界做功，温度降低，内能减少B．气体对外界做功，温度不变，内能不变C．气体不做功，温度不变，内能不变D．气体不做功，温度不变，内能减少答案 C解析气体向真空膨胀，不做功；此为绝热容器，无热传递，Q＝0.二、非选择题10．(内能、温度和热量的综合应用)(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4所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．图4(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功，可使其温度升高5 K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体吸收________ J的热量．如果对该气体做了2 000 J的功，使其温度升高了5 K，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)1 500放出500解析(1)烧瓶内的气体要从热水中吸收水的热量，温度升高，体积增大．(2)做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．图511．(内能、温度和热量的综合应用)(1)如图5所示，一个导热汽缸竖直放置，汽缸内封闭有一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁紧密接触，可沿汽缸壁无摩擦地上下移动．若大气压保持不变，而环境温度缓慢升高，则在这个过程中________．A．汽缸内每个分子的动能都增大B．封闭气体对外做功C．汽缸内单位体积内的分子数增多D．封闭气体吸收热量E．汽缸内单位时间内撞击活塞的分子数减少(2)有一个10 m高的瀑布，水流在瀑布顶端时速度为2 m/s，在瀑布底与岩石的撞击过程中，有10%的动能转化为水的内能，请问水的温度上升了多少摄氏度？已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，g取10 m/s2.答案(1)BDE(2)2.4×10－3℃解析(1)温度是物体分子平均动能的标志．温度是大量分子热运动的集体表现，不是描述单个分子的，A 错；气体压强不变，受热等压膨胀，对外做功，B 正确；由于气体体积增大，因此汽缸内单位体积内的分子数减少，C 错；气体的压强不变，温度升高，吸收热量，气体膨胀，因此汽缸内单位时间内撞击活塞的分子数减少，选项D 、E 正确．(2)对质量为m 的水，根据题意得⎝⎛⎭⎫12m v 2＋mgh ×10%＝cm Δt ，代入数据解得Δt ≈2.4×10－3 ℃.。

第十章机械能、内能及其转化第一节机械能具体内容定义物体能对外做功，我们就说这个物体具有能量，简称能.（关键词为能够做功）1。

能对外做功不等于正在做功。

2。

一个物体能够做的功越多，它具有的能就越大.单位在国际单位制中，功和能的单位为焦耳(J).分类错误!机械能一般分为动能、势能(重力势能和弹性）。

机械能守恒物体的动能和势能之间是可以相互转换的。

只有动能和势能相互转化的过程中，机械能总量保持不变.动能定义一切物体由于运动具有的能叫做动能。

影响因素质量速度相同时，质量越大的物体具有动能越大.速度质量相同时，速度越大的物体具有动能越大。

总之，物体动能与物体的质量和速度有关，质量越大，速度越大，物体具有的动能就越大。

实验图示器材平木板光滑斜面钢球、木球纸盒、刻度尺过程错误!同一钢球(m1=m2)、不同高度(h1<h2）、由静止下滑撞击纸盒，移动距离（s1<s2）；错误!木球钢球(m1〈m2)、同一高度(h1=h2）、由静止下滑撞击纸盒，移动距离(s1〈s2）;解读错误!本实验运用了控制变量法。

即控制质量相同，研究动能与速度的关系；控制速度相同，研究动能与质量的关系.○，2本实验运用了转化法。

即动能的大小无法测量,转化成纸盒运动的距离。

○3同一钢球、不同一高度滚下,目的是控制钢球到达斜面底端的水平速度.运用错误!机动车限速:控制动能大小，避免交通事故。

○2严禁超载：质量越大，动能越大，遇到紧急情况时速度不易控制，易发生事故。

势能重力势能定义受到重力的物体被举高具有的能叫做重力势能。

影响因素质量高度相同时,质量越大，具有的重力势能就越大。

高度质量相同时，高度越高，具有的重力势能就越大.总之，物体的重力势能与物体质量和高度有关，高度越高、质量越大,重力势能就越大。

实验图示器材装有细沙的沙箱质量不同的铁块小方桌过程错误!同一重物（m1=m2)、不同高度（h1〈h2)、自由落下、冲击小饭桌，铁块被举越高,小饭桌桌脚下沉越深。

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，也不向外界放热的过程。

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。

(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)内能大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。