3.1 功、热和内能的改变(教学设计)高中物理(人教版2019选择性必修第三册)

第1节功、热和内能的改变
教学设计
在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。

ppt课件展示
提问：为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？你能解释这个现象吗？（一）焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功
重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化.
结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的
（二）实验二：对系统做电功
电流通过电热丝使绝热容器内的液体温度升高.
结论：对同一系统，在绝热过程中只要所做的电功相同，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同.
思考：焦耳的热功当量实验和电流热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？
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相同的.也就是说，在各种不同的
绝热过程中，要使系统状态发生变化，做功的数量只由始末两个状态决定，与做功方式无关.
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，这样的过程叫做绝热过程.
在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。

类比思考：
哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？
（三）内能U
1、任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我们把这个物理量称为系
系统的内能.
思考：
我们曾经学习过内能的概念是什么呢？当时讲的内能的变化与什么有关？而这一致吗？有何关系？
①宏观定义（热力学对内能的定义）：
任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量，这种能量叫做系统的内能。

①微观定义（分子动理论对内能的定义）：
物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。

2、当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量
①U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即①U=W.
拓展思考：
在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能怎么变？数量上有什么关系？若系统对外界做功呢？
小试牛刀
【例题】如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，下列说法正确的是(C)
A．系统状态的改变只能通过传热来实现
B．系统状态的改变只能通过做功来实现
C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关
D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关
（一）外界对系统做功
实验现象：橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。

气体膨胀，系统对外做功→内能↓，温度↓，液化，雾状
以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。

W<0 ΔU<0 内能减小
热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程
说明：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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少；
在绝热过程中，功是系统内能转化的量度：∆U=W
注意：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，只有内能变化较3、传递规律：从高温物体传向低温物体。

大时，对应着做功较多。

小试牛刀
【例题】对于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是(A) A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关
B．热量、功和内能的物理意义相同
C．热量和功都可以作为内能的量度
D．内能大的物体具有的热量多
观察生活中常见的热传递现象
当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量①U=U2-U1就等于外界向系统传递的热量Q，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量。

（一）热与内能的改变
1、定义：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，我们说热量从高温物体传到了低温物体，这个过程称之为热传递（传热）.
2、发生条件：物体之间或物体的不同部分之间存在温度差。

3、传递规律：从高温物体传向低温物体。

大时，对应着做功较多。

3、传递规律：从高温物体传向低温物体。

4、最终结果：两物体或物体的各个部分温度相同。

（即达到热平衡）
5、实质：能量的转移，改变系统的内能。

6、注意：热传递传递的是热量，而不是温度
热传递的三种方式
(二）做功和热传递的区别
(三）热能和内能的区别
内能是一个状态量,一个物体在不同的状态下有不同的内能
热量是一个过程量，与一段过程对应，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量.
如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能.
（四）内能变化的判断
对于某物体，是否其温度升高，内能就一定增加；是否向物体传递能量，物体的内能就一定增加，分别说明原因？
通常情况下，对固体或液体，由于体积变化不明显，主要是通过温度的变化来判断内能是否改变。

①①①物体的温度升高，其内能一定增加；但物体内能增加，温度不一定升高。

特殊情况：例如晶体熔化时，内能增加，温度不变。

一定质量的0①的冰熔解成的0①的水，虽然温度不变，但是因为吸收热量，所以其内能一定增大（分子势能增大）。

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）。

【例题】图为利用钨锅炼铁的场景．若铁的质量大于钨锅的质量，起始时铁的温度比钨锅的温度低，当它们接触在一起时，忽略它们和外界交换的能量，下列说法正确的是(B)
A．达到热平衡时，钨锅的温度比铁的低
B．热传递的过程中，铁从钨锅吸收热量
C．达到热平衡时，钨锅内能的减少量小于铁内能的增加量
D．达到热平衡时，由于铁的质量大于钨锅的质量，钨锅内能的减少量大于铁内能的增加量
一、焦耳的实验。