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1、第三章第三章 热力学定律热力学定律学习目标1理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线(难点)2知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关(重点)3知道做功与内能改变的数量关系，知道热传递的热量与内能变化的关系(重点、难点)4知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的(难点)5掌握热力学第一定律及其表达式物理与STSE 知识点一物体的内能1分子动能分子动能：由于分子永不停息地做无规则运动而具有的能量2分子势能(1)分子势能：由分子间的相对位置决定的能(2)决定因素宏观上：分子势能的大小与物体的体积有关微观上：分子势能与分子之间的距离有关3内能(1)内能：物体中所有分子的动能
2、与分子势能的总和(2)普遍性：组成任何物体的分子都在做着无规则的热运动，所以任何物体都具有内能(3)相关因素物体所含的分子总数由物质的量决定分子热运动的平均动能由温度决定分子势能与物体的体积有关故物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定，同时受物态变化的影响知识点二改变物体内能的两种方式1做功(1)外界只对物体做功时，物体的内能增加(2)物体只对外界做功时，物体的内能减少(3)气体被迅速压缩时，外界对气体做功，气体的内能增加，温度升高(4)气体的体积迅速膨胀时，气体对外界做功，气体的内能减少，温度降低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
3、的现象称为热传递(2)热量：热传递时所转移的内能，是热传递过程中物体内能变化的量度3就改变物体的内能来说，热传递和做功是等效的，都可以作为内能变化的量度，理所当然内能、功、热量的单位是相同的知识点三热力学第一定律及其应用1改变内能的两种方式：做功与热传递两者在改变系统内能方面是等价的2热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和3热力学第一定律的表达式：UQW 小试身手1以下说法正确的是()A内能不可能为零B温度相同，质量相同的物体具有相同的内能C温度越高的物体，内能越大D0 的冰的内能比等质量的0 的水的内能大A解析：内能是所有分子的热运动动能和分子势
4、能的总和，而分子动能又是由分子无规则运动引起的，所以分子动能不可能为零，那么物体的内能当然也不可能为零，A正确；物体的内能与物体的温度、体积和质量(物质的量)有关，B、C错误；因为0 的冰熔化为0 的水要吸收热量，所以冰熔化为水，内能增加，0 的水的内能比等质量的0 的冰的内能大，D错误2在下述现象中没有做功而使物体内能改变的是()A电流通过电炉丝使温度升高B流星进入大气层运动温度升高C铁锤打铁块使铁块温度升高D在炉火上的水被烧开D解析：电流通过电炉丝使温度升高，电流做了功，则A错误；流星进入大气层运动温度升高，流星克服大气摩擦做功而使温度升高，则B错误；铁锤打铁块使铁块温度升高，铁锤对铁块挤
5、压撞击，故C错误；在炉火上的水被烧开，没有做功而使水的内能发生改变，故D正确3气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化可能是()A减小20 J B增大20 JC减小220 J D增大220 JB解析：研究对象为气体依符号规则，对外做功W100 J，吸收热量Q120 J由热力学第一定律有UWQ100 J120 J20 JU0，说明气体的内能增加故B正确探究一分子势能1分子势能与分子力做功的关系(1)分子力做正功，分子势能减少，分子力做了多少正功，分子势能就减少多少(2)分子力做负功，分子势能增加，克服分子力做了多少功，分子势能就增加多少2分子势能与分子间距的关
6、系如图为分子间作用力F合和分子势能Ep随r变化的图像可以看到：(1)当rr0时，F合0，Ep最小(若以分子间距无限远处为0势能点，则此时Epr0时，F合0，即为引力，所以此时增大r，克服分子力做功，Ep增大(3)当r0即为斥力，所以此时减小r，克服分子力做功，Ep增大3分子势能与体积的关系分子势能与体积有关，一般体积变化，势能就变化(气体除外)，但不能说体积变大，势能就变大【典例1】由于两个分子间的距离变化而使得分子势能变小，可确定在这一过程中 ()A两分子间的相互作用力一定表现为引力B一定克服分子间的相互作用力做功C两分子间距离一定增大D两分子间的相互作用力可能增大D解析：由分子力做功与分子
7、势能变化关系可知，分子力做正功时，分子势能减小，有两种可能性：一是rr0，分子力表现为引力，且分子间距离减小综上分析可知A、B、C选项错误，D选项正确1(多选)分子间有相互作用势能，规定两分子相距无穷远时两分子间的势能为零设分子a固定不动，分子b以某一初速度从无穷远处向a运动，直至它们之间的距离最小此过程中的下列说法不正确的是 ()Aa、b之间的势能先减小，后增大，再减小Ba、b之间的势能先增大，后减小，再增大Ca、b间的势能先减小，后增大D分子b的加速度先增大，后减小，再增大AB解析：此过程由两个阶段组成：相距无穷远到r0，r0到距离最小第一阶段分子引力先增大后减小，则加速度先增大，后减小，
8、引力对b做正功，a、b之间的势能减小；第二阶段分子斥力一直增大，分子b的加速度一直增大，斥力对b做负功，a、b之间的势能增大a、b之间的势能先减小，后增大；分子b的加速度先增大，后减小，再增大故A、B正确探究二做功与内能变化的关系1功和内能的区别(1)功是过程量，内能是状态量(2)在绝热过程中，做功一定能引起系统内能的变化(3)系统的内能大，并不意味着做功多在绝热过程中，只有内能变化越大时，对应着做功越大2功和内能的关系(1)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(2)绝热过程中功和内能变化的关系当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的改
9、变量U就等于外界对系统所做的功W，即UU2U1W.即在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少3做功改变系统内能的实质做功改变系统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，做功使系统内能发生变化时，内能改变的多少用做功的数值来度量【典例2】如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，横截面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm.现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm.求在
10、这一过程中气体的内能增加了多少(p01.01105 Pa，g取10 m/s2)解析：由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气 体 的 内 能，即 U W外(m活 塞 m物 体)gh p0Sh(515)100.1 J1.011050.10.1 J1 030 J.答案：1 030 J分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，U为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，U为负值此过程做功的多少为内能转化多少的量度(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化U也确定了而功是能量
11、转化的量度，所以UW，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法2(多选)如图所示，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这个装置可测定做功和内能变化的关系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AC解析：将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出做功和内能变化的关系，故A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，故B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误3(多选)关于物体的内能和热量，下列说法中不正确的有()A热水的内能
12、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在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止ABC解析：物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故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C项错误，D项正确探究三功、内能、热量和温度的区别与联系1内能与温度从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动
13、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(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，可以通过热传递或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”，根本不存在“热量”和“功”不能说一个系统中含有多少热量3热量与温度热量是系统内能变化的量度，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有温度差，热传递所
14、传递的是热量而不是温度4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5改变内能的两种方式的比较比较项目做功传热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，内能增加；物体放出热，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量在改变内能的效果上是相同的【典例3】关于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是 ()A热量、功和内能三者的物理意义相同，只是说法不同B热量、
15、功都可以作为物体内能变化的量度C热量、功和内能的单位不同D功由过程决定，而热量和内能由物体的状态决定B解析：热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，故A错误；功与热量都是能量转化的量度，热量和功都可以作为物体内能变化的量度，故B正确；热量、功和内能的单位相同，都是焦耳，故C错误；功和热量由过程决定，内能由物体的状态决定，故D错误热传递、做功和内能的改变的认知误区(1)误认为有热传递或做功时，内能一定变化如果只是做功或只是进行热传递都会改变物体的内能，但是如果做功的同时还有热的传递，则内能不一定会发生变化(2)对做功与内能变化关系认识不清在判断内能增加或减少时，一定要搞清是对内做功
16、还是对外做功，是从外界吸收热还是向外界放出热4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D解析：热量是物体间进行热传递时内能变化的量度，不能说物体含有多少热量，故A错误；物体的内能越大，温度不一定越高，故B错误；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错误；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D正确5如图所示，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()AA球吸收的热量较多BB球吸收的热量较多C两球吸收的热量一样多D无法确定B解析：A、B两球升高同样的温度，体积又相同，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球吸收的热量较多一些，故B正确探究四应用热力学第一定律解题的方法与步骤解题
