高中物理第十章热力学定律第2节热和内能导学案新人教版选修3-31 5页

2　热和内能内容要求功和内能了解焦耳的两个实验的原理，通过焦耳实验的探究，培养学生的科学探索精神；理解内能的概念，掌握绝热过程中做功与内能变化的关系。热和内能知道什么是热传递，会区分热量与内能的概念；知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式，并且在改变系统内能上是等效的，还要知道这两种方式在改变系统内能上的区别。打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳，有什么感觉？这是怎么回事？提示：打气筒的温度升高了，这是由于给自行车打气时，压缩空气做功使得系统的内能增加，所以温度升高。一、焦耳的实验1．实验条件绝热过程：系统只通过对外界____或外界对它____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)让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．实验结论在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是____的。即：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，而与做功的方式____。二、功和内能1．内能的定义任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统________的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中____________相联系，是系统的一种____，我们把它称为系统的内能。2．绝热过程中做功与系统内能变化的关系当系统从某一状态经过____过程达到另一状态时，内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W，即：ΔU＝____。思考1：如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，在瓶塞跳出的过程中，会观察到什么现象？这个过程是外界对系统做功还是系统对外界做功？该过程系统的内能如何变化？ 三、热和内能1．热传递(1)热传递的条件：不同物体(或一个物体的不同部分)存在____差。(2)热传递的方向：热量从____物体传向____物体。(3)热传递的结果：最终____相同。(4)热传递的实质：不同物体(或一个物体的不同部分)之间____的转移。2．热量：是用来衡量热传递过程中________多少的一个物理量，是一个____量，不能说物体具有多少热量，只能说物体__________多少热量。3．热传递与系统内能变化的关系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______，即ΔU＝____。思考2：物体内能增加是否一定是从外界吸收了热量？答案：一、1.做功　做功　吸热　放热2．(1)上升　(2)热效应3．相同　状态1、2　无关二、1.自身状态　对系统做的功　能量2．绝热　W思考1提示：当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内和瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气，在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功，在这个过程中系统的内能减少，温度降低。瓶内和瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气遇冷液化形成的小液滴。三、1.(1)温度　(2)高温　低温　(3)温度　(4)内能2．内能变化　过程　吸收或放出了3．热量Q　Q思考2提示：不一定，这是因为做功和热传递都可以改变物体的内能。一、功、内能、内能的变化之间的关系1．内能与内能的变化(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。(2)当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子间距离变化，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．做功与内能的变化的关系做功改变物体内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。例如在绝热过程中做功使物体内能发生变化时，内能改变了多少用做功的数值来量度。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。压缩气体时，外界对气体做了功，气体的内能增加，气体内能的增加量等于外界对气体做的功；气体膨胀，是气体对外界做功，气体内能减少，气体内能的减少量等于气体膨胀对外做的功。 3．功和内能的区别(1)功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量。(2)做功过程中，能量一定会发生转化，而内能不一定变化，只有在绝热过程中，做功才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，只有内能变化大，才可能做功多。(1)内能是物体所具有的，对于物体中的某一个具体分子，无内能可言。(2)做功方式的多样性决定了能量转化方式的多样性，不同形式的功对于内能的转化是等效的。二、温度、内能和热量之间的区别与联系1．温度与内能从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的激烈程度，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．热量和内能热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，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。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。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，可以通过热传递或做功两种方式来完成。3．热量和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剧烈程度的标志。虽然热传递的前提是两个系统之间存在温度差，但是传递的是能量，不是温度。热传递不仅可以使系统温度发生变化，还可以使物质状态发生变化。在物质状态变化中，传递给系统的热量并没有使系统的温度发生变化，因此不能说“系统吸收热量多，温度变化一定大”，也不能认为“系统的温度高，它放出的热量一定多”。因为放出的热量，不但和温度的变化值有关，还和比热容有关。总之，热量和温度之间虽然有一定的联系，但它们是不同的两个物理量。只要存在温度差，热传递就会进行，与原来物体内能的多少无关。热传递过程中能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。三、改变内能的两种方式的比较方式内容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在改变内能的效果上是相同的(1)当一个系统的内能发生改变时，必然伴随着做功或热传递现象。(2)当系统与外界只有做功(或热传递)现象时，系统的内能一定改变。百度文库-让每个人平等地提升自我类型一功和内能【例1】一定质量的理想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小 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小点拨：在绝热过程中，外界对系统做功，系统内能增加，温度升高；系统对外界做功，系统内能减少，温度降低。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，外界对气体做的功W<0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少。由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小。故D项正确。答案：D题后反思：在判断系统内能的变化情况时，应先判断系统是否处于绝热过程，若处于绝热过程，再依据系统对外界做功，还是外界对系统做功来判断系统内能的变化情况。触类旁通：若本题中气体是在真空中发生绝热膨胀，不考虑分子势能，气体的内能如何变化？类型二热和内能【例2】下列关于物体内能的说法中正确的是(　　)。A．物体吸收热量，内能一定增加B．物体放出热量，内能一定减少C．当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变D．物体对外做功，内能可能增加点拨：改变物体的内能有两种方式：做功和热传递，不能只从一种方式得出结论。解析：当物体从外界吸收的热量Q与对外做的功W正好相等时，物体的内能不变，C项正确；当物体对外做功时，如果同时吸收热量Q，且吸收的热量比对外做的功W多时，内能就可能增加，D项正确。答案：CD题后反思：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，且它们可以同时进行。它们引起内能变化的方向可以是都使系统内能增加或减少；也可以是一个使系统内能增加，另一个使系统内能减少。触类旁通：若理想气体在等容过程中吸收热量，气体的内能如何变化？答案：触类旁通【例1】答案：不变(因气体在真空中绝热膨胀，无法对外做功，故内能不变)。【例2】答案：内能一定增加。1．如果铁丝的温度升高了，则(　　)。A．铁丝一定吸收了热量　　B．铁丝一定放出了热量C．外界可能对铁丝做功D．外界一定对铁丝做功2．(2011·广州高二检测)如图所示，把浸有乙醚的一小团棉花放在厚玻璃筒的底部，当很快地向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明(　　)。A．做功可以增加物体的热量B．做功一定升高物体的温度C．做功可以改变物体的内能D．做功一定可以增加物体的内能3．下列关于热量的说法中正确的是(　　)。A．温度高的物体含有的热量多 B．内能多的物体含有的热量多C．热量、功和内能的单位相同D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量4．一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，若不计气泡内空气分子势能的变化，则(　　)。A．气泡对外做功，内能不变，同时放热B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热C．气泡内能减少，同时放热D．气泡内能不变，不吸热也不放热答案：1．C　做功和热传递对改变物体的内能是等效的，温度升高可能是做功，也可能是热传递。2．C　迅速向下压活塞，实际上是在对玻璃气筒内的气体做功，由于是迅速向下压筒内的气体，做功时间极短，因此实验过程可认为是绝热过程(即Q＝0)。乙醚达到燃点而燃烧，表明气体温度升高，内能增大，这说明做功可以改变物体的内能。3．CD　热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同，都是焦耳。4．B　在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减小，温度降低。但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。