PAGE6-功和內能一、焦耳的試驗1．試驗目的：精確地測定做功和熱傳遞對于系統的影響，以及功和熱量的相互關系．2．焦耳的兩個最具代表性的試驗：一個是讓重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個是通過電流的熱效應給水加熱．3．絕熱過程：不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程叫做絕熱過程．4．結論：要使系統狀態通過絕熱過程發生變更，做功的多少只由過程的始末兩個狀態確定，而與做功的方式無關．二、功和內能1．功與系統內能變更的關系：做功可以變更系統的內能．(1)外界對系統做功，系統的內能增加．在絕熱過程中，內能的增量就等于外界對系統做的功，即ΔU＝U2－U1＝W.(2)系統對外界做功，系統的內能削減．在絕熱過程中，系統對外界做多少功，內能就削減多少，即W＝－ΔU.2．在絕熱過程中，功是系統內能轉化的量度．打氣筒是日常生活中的一種工具，當我們用打氣筒給自行車打氣的時候，就是在克服氣體壓力和摩擦力做功．打氣的過程中你有沒有試著去摸一下打氣筒的外殼？有什么感覺？打氣筒的溫度上升了，這是怎么回事呢？提示：做功的過程是能量轉化的過程，做功使得系統的內能增加了，所以溫度上升．考點一功、內能、內能變更之間的關系1．內能與內能的變更的關系(1)物體的內能是指物體內全部分子的動能和勢能之和．在微觀上由分子數和分子熱運動猛烈程度和相互作用力確定，宏觀上體現為物體的溫度和體積，因此物體的內能是一個狀態量．(2)當物體溫度變更時，分子熱運動猛烈程度發生變更，分子平均動能變更．物體體積變更時，分子間距離變更，分子勢能發生變更，因此物體的內能變更只由初、末狀態確定，與中間過程及方式無關．2．做功與內能的變更的關系做功變更物體內能的過程是將其他形式的能(如機械能)與內能相互轉化的過程．例如在絕熱過程中做功使物體內能發生變更時，內能變更了多少用做功的數值來量度．外界對物體做多少功，物體的內能就增加多少；物體對外界做多少功，物體的內能就削減多少．壓縮氣體時，外界對氣體做了功，氣體的內能增加，氣體內能的增加量等于外界對氣體做的功；氣體膨脹，是氣體對外界做功，氣體內能削減，氣體內能的削減量等于氣體膨脹對外做的功．3．功和內能的區分功是能量轉化的量度，是過程量，而內能是狀態量，做功過程中，能量肯定會發生轉化而內能不肯定變更，但內能變更時，不肯定有力做功，也可能是由熱傳遞變更物體的內能．物體內能大，并不意味著做功多，只有內能變更大，才可能做功多．【例1】如圖所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進一只靈敏溫度計和一根氣針，另一端有個用卡子卡住的可移動的膠塞．用打氣筒漸漸向筒內打氣，使容器內的壓強增加到肯定程度，這時讀出溫度計示數．打開卡子，膠塞沖出容器后()A．溫度計示數變大，試驗表明氣體對外界做功，內能削減B．溫度計示數變大，試驗表明外界對氣體做功，內能增加C．溫度計示數變小，試驗表明氣體對外界做功，內能削減D．溫度計示數變小，試驗表明外界對氣體做功，內能增加氣體膨脹對外做功，做功可以變更物體的內能．【解析】依據功是能量轉化的量度，對外做了多少功，就意味著轉化了多少能量．本例中由于是厚壁容器，打開卡子后，氣體快速膨脹，這樣的過程可以當作絕熱過程，由此推斷，轉化的應是系統的內能，即氣體對外做功，系統的內能削減，溫度降低．選項C正確．【答案】C總結提能絕熱過程是指系統不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程，有些題目從敘述中就已經明確是否為絕熱過程，有些沒有明確的，就要依據實際狀況做出推斷，像本題快速膨脹類可以理解為是絕熱的過程，而緩慢的過程則不能認為是絕熱的過程．(多選)如圖所示，絕熱容器內被活塞封閉肯定質量的氣體，現壓縮氣體使其體積減小，則(BC)A．氣體對外界做功，內能增加B．外界對氣體做功，內能增加C．溫度上升，壓強變大D．溫度上升，壓強變小解析：“絕熱容器”說明與外界沒有熱交換，壓縮氣體，外界對氣體做功，內能增加，故A錯，B對；對志向氣體而言，溫度上升，由氣體壓強的定義知，其壓強必變大，故C對，D錯．故正確答案為B、C.考點二內能與機械能的區分和聯系1．區分：物體的內能與機械能是兩個不同的物理概念．內能是由大量分子熱運動和分子間的相對位置所確定的能．機械能是物體做機械運動和物體形變所確定的能．物體具有內能的同時可以具有機械能．物體的機械能在肯定條件下可等于零，但物體的內能不行能等于零，因為分子在永不停息地做無規則運動，它們之間有相互作用．2．聯系：內能和機械能在肯定條件下可以相互轉化，且總量保持不變．【例2】暖瓶中盛有0.5kg、25℃的水，一位同學想用上下搖擺的方法使冷水變為開水，設每搖擺一次水的落差為15cm，每分鐘搖擺30次，不計全部熱散失，他約需多長時間可以把水“搖開”？[c水＝4.2×103J/(kg·℃)，g取10m/s2]此問題中能量轉化方向是：上搖時同學消耗自身的能量，通過對水做功轉化為水的重力勢能，下降時水的重力勢能轉化為動能再轉化為水的內能，由于不計一切熱散失，水的重力勢能的削減量等于水的內能的增加量．【解析】設“搖開”水需時間為t，水升溫ΔT，由W＝ΔU得：30mg·Δh·t＝c水mΔT，代入數據得t＝eq\f(4.2×103×100－25,30×10×0.15)min＝7×103min，即“搖開”水約需7×103min，約為5天．【答案】5天總結提能解決本題的關鍵是明確能量轉化的方向，即知道原委是哪種能量轉化為水的內能．此類問題體現物理與社會、生活相聯系的特點，需仔細審題，挖掘出題目中的有用信息，建立物理模型是解題的關鍵．地面旁邊有一正在上升的空氣團，它與外界的熱交換忽視不計．已知大氣壓強隨高度增加而降低，則該氣團在此上升過程中(不計氣團內分子間的勢能)(C)A．體積減小，溫度降低 B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低 D．體積增大，溫度不變解析：空氣團與外界熱交換忽視不計，隨高度上升壓強漸漸減小，體積漸漸增大對外界做功，所以內能漸漸減小，則溫度漸漸降低，只有C正確，A、B、D均錯誤．1．如圖所示，活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，汽缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣．以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內能，則在將拉桿緩慢向外拉的過程中(D)A．E甲不變，E乙減小B．E甲不變，E乙增大C．E甲增大，E乙不變D．E甲增大，E乙減小解析：本題解題的關鍵是明確甲、乙兩氣室氣體都歷經絕熱過程，內能變更取決于做功的狀況．對甲室內的志向氣體，在拉桿緩慢向外拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室氣體做功，其內能應增大；對乙室內的氣體，活塞左移，氣體膨脹，氣體對外界做功，內能應減小．2．金屬筒內裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關，筒內高壓空氣快速向外溢出，待筒內外壓強相等時，馬上關閉開關．在外界保持恒溫的條件下，經過一段較長的時間后，再次打開開關，這時出現的現象是(B)A．筒外空氣流向筒內B．筒內空氣流向筒外C．筒內外有空氣交換，處于動平衡態，筒內空氣質量不變D．筒內外無空氣交換解析：因高壓空氣急劇外溢時，氣體來不及充分與外界發生熱交換，可近似看成絕熱膨脹過程，氣體對外做功，內能削減，所以關閉開關時，筒內氣體溫度較外界偏低，再經過較長時間后，筒內外氣體溫度相同．對筒內剩余氣體分析，屬等容升溫過程，壓強要上升，大于外界氣壓，所以再打開開關時，筒內氣體要流向筒外．3.如圖所示，汽缸放置在水平地面上，質量為m的活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，兩氣室中均充有氣體，汽缸、活塞是絕熱的且不漏氣．起先活塞被銷釘固定，現將銷釘拔掉，活塞最終靜止在距原位置下方h處，設活塞移動前后甲氣體內能的變更量為ΔE，不計氣體重心變更的影響，下列說法正確的是(B)A．ΔE＝mgh B．ΔE>mghC．ΔE<mgh D．以上三種狀況均有可能解析：氣體甲體積減小，外界對它做正功，其中包括mgh和乙氣體分子對活塞的力做功W乙，且為正功，ΔE＝mgh＋W乙．4.如圖所示的傳動裝置中，皮帶始終保持v＝3m/s的速度水平勻速前進．m＝1kg的物體無初速地放到皮帶上A處，若物體與皮帶的動摩擦因數μ＝0.15，AB相距s＝4.5m，則物體從A運動到B的過程中，由于摩擦產生的熱量為多少焦？(g取10m/s2)解析：物體運動的加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg＝0.15×10m/s2＝1.5m/s2