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內能 功 熱量 1．從宏觀上看，物體的內能與物體的溫度和體積都有關系。從微觀看，溫度升高，分子平均動能增加，因而物體的內能增加，體積變化時，分子勢能變化，因而物體的內能發(fā)生變化。 2．做功可以改變物體的內能，若物體與外界無熱量交換，外界對物體做功，物體內能增加，物體對外界做功，物體內能減少，且做功的多少等于物體內能的變化。 3．熱傳遞也可以改變物體的內能。高溫物體總是自發(fā)地把它的內能傳遞給低溫物體，若熱傳遞過程中沒有做功過程，低溫物體吸收的熱量等于它內能的增加，高溫物體放出的熱量等于它內能的減少。 4．做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的，但它們的實質不同，做功對應的是其他形式的能與內能的相互轉化，熱傳遞是物體間內能的轉移。 5．焦耳通過實驗測定了機械功與所產生的熱量之間的關系，稱為熱功當量，它等于4.18 Jcal－1。 功和內能 1.實驗探究 (1)實驗一：如圖1所示，迅速壓下活塞可以使厚壁玻璃筒內浸有乙醚的棉花燃燒。 圖1 (2)實驗二：如圖2所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進一支靈敏溫度計和一根氣針，另一端有個用卡子卡住的可移動膠塞。用打氣筒慢慢向容器內打氣，使容器內的壓強增大到一定程度，這時讀出溫度計示數， 打開卡子，膠塞沖出容器口后，溫度計示數明顯變小。 圖2 (3)實驗結論：壓縮氣體對氣體做功，氣體溫度升高，內能增加；氣體對外做功，氣體溫度降低，內能減小。氣體被壓縮或膨脹做功，氣體的內能發(fā)生變化。 2．對功和內能關系的理解 (1)內能與內能變化的關系： ①物體的內能是指物體內所有分子的平均動能和勢能之和。因此物體的內能是一個狀態(tài)量。 ②當物體溫度變化時，分子平均動能變化。物體體積變化時，分子勢能發(fā)生變化，因此物體的內能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過程及方式無關。 (2)做功與內能變化的關系： ①做功改變物體內能的過程是其他形式的能(如機械能)與內能相互轉化的過程。 ②在絕熱過程中，外界對物體做多少功，就有多少其他形式的能轉化為內能，物體的內能就增加多少。 (3)功和內能的區(qū)別： ①功是過程量，內能是狀態(tài)量。 ②在絕熱過程中，做功一定能引起內能的變化。 ③物體的內能大，并不意味著做功多。在絕熱過程中，只有內能變化較大時，對應著做功較多 (1)設初態(tài)內能為U1，末態(tài)內能為U2，內能的變化量為ΔU，ΔU＝U2－U1，ΔU>0，內能增加；ΔU<0，內能減少。 (2)在絕熱過程中ΔU＝W。 1．[多選]改變物體的內能的下列方式中，屬于做功的方式的是(　　) A．搓搓手會感到手暖和些 B．汽油機汽缸內被壓縮的氣體 C．車刀切下的熾熱鐵屑 D．物體在陽光下被曬熱 解析：選ABC　搓手時克服摩擦力做功，機械能轉化為內能；汽缸壓縮氣體，對氣體做功；車刀切削鋼件，克服摩擦力做功，機械能轉化為內能，使切下的鐵屑溫度升高，都是通過做功使物體的內能發(fā)生改變。物體在陽光下被曬熱，不屬于做功的方式。 熱和內能 1.熱傳遞 (1)定義：高溫物體總是自發(fā)地把它的內能傳遞給低溫物體，這種沒有做功而使物體內能改變的現象稱為熱傳遞。 (2)方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。 (3)條件：存在溫度差。 2．熱量(Q) 是熱傳遞過程中物體內能變化的量度。 3．熱傳遞改變物體內能的實質 內能從一個物體轉移到另一個物體或者從一個物體的高溫部分轉移到低溫部分，在這個沒有做功的過程中，吸收熱量的物體內能增加，放出熱量的物體內能減少，內能的變化由熱量來量度，即ΔU＝Q。 4．溫度、內能、熱量和功的比較 概念 含義 區(qū)別和聯系 溫度 表示物體冷熱程度的物理量，是物體分子平均動能的標志，是大量分子熱運動的集體表現，對個別分子來說，溫度沒有意義 (1)溫度和內能是狀態(tài)量，熱量和功是過程量，就某一狀態(tài)而言只有內能，而無“熱量”和“功” (2)熱傳遞的前提條件是存在溫差，傳遞的是熱量而不是溫度，其實質是內能的轉移 (3)可以利用做功和熱傳遞來改變物體的內能 內能 物體內所有分子的動能和勢能的總和，是由大量分子的熱運動和分子的相對位置所決定的能 熱量 熱量是熱傳遞過程中內能的改變量，用來量度熱傳遞過程中內能轉移的多少 功 做功過程是機械能或其他形式的能和內能之間的轉化過程 (1)做功和熱傳遞均能改變物體的內能，僅從內能的改變上無法知道系統(tǒng)用的做功還是熱傳遞方式使其內能發(fā)生變化的，因此，做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的。 (2)熱傳遞改變物體內能的過程是物體間內能的轉移，做功對應的是其他形式的能與內能的轉化過程。 2．下列關于內能與熱量的說法中，正確的是(　　) A．馬鈴薯所含熱量高 B．內能越大的物體熱量也越多 C．熱量總是從內能大的物體流向內能小的物體 D．熱量總是從溫度高的物體流向溫度低的物體 解析：選D　選項A是一種很常見的說法，在日常生活中似無須計較，但從物理學的角度來看，卻有不妥，熱量是過程量，不是狀態(tài)量，不能像內能那樣蘊含在物體中，選項A錯；說法B與說法A存在相同的錯誤，此外，物體的內能與熱量之間，在數量上沒有必然聯系，選項B錯；兩物體之間熱量的流向只與它們的溫度有關，與它們的內能無關，選項C錯。 做功和內能的變化 [例1]　如圖所示，一定質量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內裝有一可以活動的絕熱活塞?，F對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體(　　) A．溫度升高，壓強增大，內能減少 B．溫度降低，壓強減小，內能減少 C．溫度升高，壓強增大，內能增加 D．溫度降低，壓強減小，內能增加 [解析]　由于F對密閉的氣體做功，容器及活塞絕熱，所以Q＝0，由功和內能的關系知理想氣體內能增大，T升高，再根據＝C，V減小，p增大，選項C正確。 [答案]　C 借　題　 發(fā)　揮 解決這類問題，應把握以下兩點： (1)改變內能的決定因素，內能是宏觀物理量，屬于整個物體。 (2)做功與內能改變的關系。 對內能、功和熱量的理解 [例2]　物體的內能增加了20 J，下列說法中正確的是(　　) A．一定是外界對物體做了20 J的功 B．一定是物體吸收了20 J的熱量 C．一定是物體分子動能增加了20 J D．物體分子的平均動能可能不變 [解析]　做功和熱傳遞都可以改變物體內能，物體內能改變20 J，其方式是不確定的，因此A、B錯誤；物體內能包括所有分子的平均動能和分子勢能，內能由分子數、分子平均動能、分子勢能三者決定，故C錯誤。 [答案]　D 借　題 發(fā)　揮 (1)溫度、熱量、功、內能是熱學中的重要概念，是高考考查的重點，正確理解這幾個概念間的區(qū)別與聯系，是解決這類問題的關鍵。 (2)理解概念時要特別注意： ①溫度不能“傳”，熱量不能“含” ②吸熱不一定升溫(如：晶體的熔化、水的沸騰)。 ③升溫不一定吸熱(也可以通過做功實現)。 ④引起內能的變化可能是做功、可能是熱傳遞也可能是兩個方面共同引起。 1．[多選]用下述方法改變物體的內能，屬于做功的方式是(　　) A．在陽光的照射下，水的溫度升高 B．用磨刀石磨刀時，刀發(fā)熱 C．用電熱器燒水 D．用天然氣燒水 解析：選BC　A項是熱傳遞中的輻射， B中是摩擦力做功，C中是電流做功，D中是燃料燃燒把內能轉移給水，故B、C正確。 2.如圖所示，把浸有乙醚的一小團棉花放在厚玻璃筒的底部，當很快地向下壓活塞時，由于被壓縮的氣體驟然變熱，溫度升高，達到乙醚的燃點，使浸有乙醚的棉花燃燒起來，此實驗目的是要說明(　　) A．做功可以增加物體的熱量 B．做功一定升高物體的溫度 C．做功可以改變物體的內能 D．做功一定可以增加物體的內能 解析：選C　迅速向下壓活塞，實際上是在對玻璃氣筒內的氣體做功，由于是迅速向下壓筒內的氣體，做功時間極短，因此實驗過程可認為是絕熱過程(即Q＝0)。乙醚達到燃點而燃燒表明氣體溫度升高內能增大，這說明做功可以改變物體的內能。 3．關于物體的內能和熱量，下列說法中正確的有(　　) A．熱水的內能比冷水的內能多 B．溫度高的物體其熱量必定多，內能必定大 C．在熱傳遞過程中，內能大的物體其內能將減小，內能小的物體其內能將增大，直到兩物體的內能相等 D．熱量是熱傳遞過程中內能轉移的量度 解析：選D　物體的內能由溫度、體積及物體的質量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內能大小無關，所以完全有可能是內能大的物體內能繼續(xù)增大，內能小的物體內能繼續(xù)減小，故C項錯；關于熱量的論述，D項是正確的。 4．關于熱傳遞，下列說法正確的是(　　) A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞 B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞 C．熱傳遞可以在任何情況下發(fā)生 D．熱傳遞是內能大的傳給內能小的 解析：選B　熱傳遞的實質是內能的轉移，不是傳遞溫度，A錯誤；熱傳遞是內能從高溫物體傳遞到低溫物體，必須存在溫差，B正確，C錯誤；內能是物體內所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，內能大的不一定是高溫物體，D錯誤。 5．[多選]關于改變物體的內能，下列說法正確的是(　　) A．做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種本質不同的物理過程 B．外界對物體做功，物體的內能一定增大 C．物體對外界放熱，物體的內能一定增大 D．熱量是在熱傳遞中，從一個物體向另一個物體或物體的一部分向另一部分轉移內能的多少 解析：選AD　做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種本質不同的方法，做功的過程是不同形式的能相互轉化的過程，而熱傳遞是同種形式的能(內能)在物體間或物體的各部分間的轉移，A正確；物體內能的變化取決于做功和熱傳遞兩種途徑，單憑一方面不足以判斷其內能的變化，B、C錯誤；根據熱量的概念可知D正確。 6．[多選]關于內能和機械能，下面說法正確的是(　　) A．機械能越大的物體，其內能也越大 B．當物體的機械能發(fā)生變化時，其內能也發(fā)生變化 C．任何物體都有內能，但物體機械能可以為零 D．兩物體發(fā)生滑動摩擦時，機械能減小，內能增大 解析：選CD　內能和機械能是兩種不同形式的能，無必然聯系，A、B錯誤；由內能和機械能的概念可知任何物體都有內能，但可以無機械能，C正確；兩物體發(fā)生滑動摩擦時，機械能轉化為內能，即摩擦生熱，D正確。 7．[多選](山東高考)如圖，內壁光滑、導熱良好的氣缸中用活塞封閉有一定質量的理想氣體。當環(huán)境溫度升高時，缸內氣體(　　) A．內能增加 B．對外做功 C．壓強增大 D．分子間的引力和斥力都增大 解析：選AB　根據一定質量的某種理想氣體的內能只決定于溫度，處在導熱氣缸中的理想氣體由于外界環(huán)境溫度升高，理想氣體的內能要增大，所以選項A正確；再根據理想氣體的狀態(tài)方程：＝C可知，氣體壓強不變，當溫度升高時，體積要增大，因此氣體要對外做功，所以選項B正確，C錯誤；理想氣體沒有分子間的相互作用力，因此分子間的作用力始終為零，故D選項錯誤。 8．采用絕熱(即不交換熱量)的方式使一定量的氣體由初態(tài)A變化至終態(tài)B，對于不同的絕熱方式，下列說法正確的是(　　) A．對氣體所做的功也不同 B．對氣體所做的功都相同 C．對氣體不需做功，因為沒有熱量的傳遞 D．以上三種說法都不對 解析：選B　絕熱過程ΔU＝W，這里氣體的狀態(tài)由初態(tài)A變到終態(tài)B，由于A，B兩狀態(tài)確定，所以不論采用什么絕熱方式，初態(tài)A的內能有一確定值UA，終態(tài)B的內能也有確定值UB，故W＝UB－UA為恒量，故B項正確。 9．[多選]如圖所示為焦耳實驗裝置簡圖，用絕熱良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高，關于這個實驗，下列說法正確的是(　　) A．這個裝置可測定熱功當量 B．做功增加了水的熱量 C．做功增加了水的內能 D．功和熱量是完全等價的，無區(qū)別 解析：選AC　可通過重力做功與水溫升高吸收的熱量，測定熱功當量，做功增加了水的內能，而熱量只是熱傳遞過程中內能改變的量度，所以功與熱量是不同的。故選A、C。 10.如圖所示，固定容器以及可動活塞P都是絕熱的，中間有一個導熱的可動隔板B，B的兩邊分別盛有氣體甲和乙，現將活塞P緩慢地向B移動一段距離，已知氣體的溫度隨其內能的增加而升高，則在P移動的過程中(　　) A．甲的內能不變、乙的內能不變 B．甲的內能增加，乙的內能不變 C．甲的內能增加，乙的內能增加 D．隔板B與活塞P移動的距離相等 解析：選C　隔板B固定且導熱，當活塞向B移動的過程中，外力做功，氣體乙的內能增加，溫度升高，乙通過導熱板B向氣體甲傳遞熱量，因此甲的內能增加，因此選項C正確，選項A、B錯誤，乙的內能增加體積應減小，所以P移動的距離大于B移動的距離，D錯誤。 11．[多選]一銅塊和一鐵塊，質量相等，銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高，當它們接觸在一起時，如果不和外界交換能量，則(　　) A．從兩者開始接觸到熱平衡的整個過程中，銅塊內能的減少量等于鐵塊內能的增加量 B．在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內，銅塊內能的減少量不等于鐵塊內能的增加量 C．達到熱平衡時，銅塊的溫度T＝ D．達到熱平衡時，兩者的溫度相等 解析：選AD　一個系統(tǒng)在熱交換的過程中，如果不與外界發(fā)生熱交換，溫度高的物體放出的熱量等于溫度低的物體吸收的熱量，直到溫度相等，不再發(fā)生熱交換為止．而熱量是熱傳遞過程中內能的變化量，所以選項A和D都正確，選項B錯誤。 根據熱平衡方程c銅m(T1－T)＝c鐵m(T－T2)，解得T＝，由此可知選項C是錯誤的。 12.如圖所示的容器中，A、B各有一個可自由移動的活塞，活塞下面是水，上面大氣壓恒定，A 、B的底部由帶閥門的管道相連，整個裝置絕熱。原先A中的水面比B中的高，打開閥門，A中的水向B流動，最后達到平衡，在這個過程中(　　) A．水的內能不變　　　　　　 B．水的內能減小 C．水的內能增大 D．無法判斷 解析：選C　打開閥門，水的重心降低，重力對水做正功，系統(tǒng)又絕熱，故水的內能增大，C正確。 13.如圖所示，直立容器內部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度大，B的密度較小，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設在此過程中氣體吸熱Q，氣體內能增量為ΔE，則(　　) A．ΔE＝Q B．ΔEQ D．無法比較 解析：選C　抽去隔板前，A、B氣體的整體重心在中線以上，抽去隔板待氣體混合均勻后，重心恰好在中線上，系統(tǒng)的重力勢能減少，由能量守恒定律知，減少的重力勢能與內能發(fā)生轉化而使得內能增加，吸收的熱量也使得內能增加，則氣體內能的增量大于氣體所吸收的熱量。 14．某同學想要估測每秒鐘太陽輻射到地球表面上的能量，他用一個橫截面積S＝3.2 dm2的保溫圓筒，內裝有質量為m＝0.4 kg的水，讓太陽光垂直照射t＝3 min，水升高的溫度Δt＝2.2 ℃，已知水的比熱容c＝4.2103 J/(kg℃)，地球半徑為R＝6 400 km，試求出太陽向地球表面輻射能量的功率。 解析：太陽輻射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.21030.42.2 J≈3.7103 J。 太陽光在1 s內垂直照射到1 m2面積上的功率P＝＝ J/(m2s)≈6.4102 J/(m2s)。 太陽向地球表面輻射能量的功率 P′＝PπR2＝6.41023.14(6 400103)2 W≈8.21016 W。 答案：8.21016 W