資源簡介

第八講 物質的內能
[知識新授]
一、物體的內能
1．內能的定義
物體內部所有分子做______________的動能和分子勢能的總和叫做物體的內能。
特別提醒：
一切物體在任何情況下都具有內能，物體的內能不會為零。因此物體內部分子的熱運動永不停止，分子間的相互作用也總是存在。
2．影響內能大小的因素
物體的內能與________有關。同一個物體，溫度越高，分子的熱運動越劇烈，它具有的內能就越大。物體的內能還受________、材料、狀態等因素的影響。
特別提醒：
①在物體的溫度、材料、狀態相同時，物體的質量越大，物體的內能越大。
②在質量、溫度、狀態相同時，物體的材料不同，內能可能不同。
③在物體的溫度、材料、質量相同時，物體存在的狀態不同，內能也可能不同。
二、改變物體內能的兩種方法
1．做功可以改變內能
外界對物體做功，物體的內能________；物體對外做功，物體的內能會________。通過做功改變物體的內能，實質上是其他形式的能與物體內能相互轉化。
2．熱傳遞可以改變內能
熱傳遞改變物體的內能實質上是內能從________物體傳遞到________物體或者從同一物體的高溫部分傳遞到低溫部分。在熱傳遞過程中傳遞的能量的多少叫做熱量。
熱傳遞發生的條件是物體之間存在________。
特別提醒：
做功和熱傳遞在改變物體的內能上雖然是等效的，但它們的實質不同，做功改變內能實質是內能和其他形式的能之間的轉化，而熱傳遞改變內能實質是不同物體之間或同一物體的不同部分之間內能的轉移。
三、熱量的計算
1．物體溫度升高時吸收的熱量Q吸＝________。
2．物體溫度降低時放出的熱量Q放＝cm(t0－t)。
c為物質的________。比熱容是指單位質量的某種物質溫度升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的熱量。其中，c為物質的比熱容，m為物體的質量，t0是初溫，t是末溫。如果用Δt表示升高或降低的溫度，即用Δt表示t－t0或t0－t，那么物體吸收或放出的熱量可以寫成Q＝cmΔt。
特別提醒：
①比熱容跟密度一樣，也是物質的一種特性，它不隨物質質量的改變而改變，也不隨物質吸收(或放出)熱量的多少以及溫度的變化而變化。
②對于同一種物質，比熱容的值還與物質的狀態有關，同一物質在同一狀態下的比熱容是一定的，但在不同狀態時，比熱容是不相同的。如：水的比熱容是4.2×103J/(kg·℃)，而冰的比熱容是2.1×103J/(kg·℃)。
四、熱機
1．熱機
(1)定義：把________轉化為機械能的機器。
(2)原理：
2．熱機的種類
熱機
3．熱機的四個過程：吸氣、________、________排氣。
4．熱機曲軸轉動兩圈對外做功一次。
五、燃料的熱值
1．燃料燃燒時能量的轉化
燃料的燃燒是一種化學變化，在燃燒過程中，燃料的化學能轉化為________，也就是通常所說的釋放出熱量。
2．燃料的熱值
1kg某種燃料________燃燒時放出的熱量，叫做這種燃料的________，單位是J/kg，氣體燃料的熱值單位通常用J/m3。Q=mq
熱值的意義是表示單位質量的燃料在完全燃燒時所放出熱量的多少。同種燃料的熱值相同，不同種燃料的熱值一般不同。
[經典例題]
[例1]在下列實例中，用熱傳遞的方式來改變物體內能的是(　　)
A．用砂輪磨菜刀，菜刀的溫度升高
B．將冰塊放入飲料中，飲料的溫度降低
C．用鋸鋸木頭，鋸條發熱
D．寒冷的冬天，雙手互搓，手的溫度升高
[例2]下列現象中，屬于熱傳遞改變內能的是(　　)
A．搓手取暖
B．下滑時梯面發熱
C．冷水溫度升高
D．壓縮空氣溫度升高
[例3]如圖所示，在一個配有活塞的厚玻璃筒內放一小團硝化棉，迅速下壓活塞，硝化棉燃燒．下列說法正確的是(　　)
A．迅速向上抽活塞，硝化棉也能燃燒
B．此實驗主要是通過熱傳遞改變筒內空氣的內能
C．硝化棉燃燒，是因為玻璃筒內空氣的溫度升高，內能增大
D．下壓活塞的過程，空氣的內能轉化為活塞的機械能
[例4]如圖所示，“在金屬管內裝一些酒精，當迅速來回拉動繞過金屬管的粗繩時，筒壁會發熱，一會兒，看到緊塞在管口的塞子突然被射出，同時聽到“呯”的一聲．”根據這些現象，下列說法不正確的是(　　)
A．來回拉動粗繩時，將機械能轉化為內能
B．塞子被射出，將內能轉化為機械能
C．筒壁會發熱，原因是酒精的化學能轉化為內能
D．“呯”的一聲，是塞子突然射出時引起空氣振動產生的
[例5]如圖所示，甲容器內裝有水，乙試管內也裝有水，并通過甲容器密封蓋上的孔插入甲容器的水中，且乙試管與密封蓋緊密接觸．現給甲容器加熱，經過一段時間后，對可能出現的現象有如下幾種說法：
①甲容器中的水沸騰，乙試管中的水不會沸騰；②乙試管中的水先沸騰；③甲容器中水的比熱容增大；④熱傳遞的方式使乙試管中水的內能增加．
以上說法中正確的是(　　)
A．①② B．②④ C．③④ D．①④
[例6]用熱水袋取暖是利用　 　的方法改變物體的內能；汽車發動機用水作冷卻劑，是利用了水的
　 　較大的性質；一輛汽車的水箱中10kg水，如果這些水的溫度升高了50℃，則水吸收的熱量是
　 　J．[C水=4.2×103J/kg?℃]．
[例7]如圖1所示是演示點火爆炸的實驗裝置．按動電火花發生器的按鈕，點燃盒內酒精，盒蓋會被打出去．此過程中，燃氣的　 　能轉化為盒蓋的　 　能，這與四沖程汽油機的　 　沖程的能量轉化相同，圖2中的汽油機正處于這一沖程中，此時活塞向　 　運動(選填：“上”、“下”)．
例8
[例8]如圖所示，在空氣壓縮引火儀的玻璃筒底部放一小團干燥的棉花，快速壓下活塞，通過　 　(填改變內能的方式)使引火儀中氣體的內能　 　　(選填“變大”、“變小”或“不變”)．當內部棉花著火燃燒，引火儀內部氣壓增大，向上推動活塞做功，此過程與四沖程汽油機的　 　沖程的能量轉化相同．某臺汽油機飛輪的轉速為1800r/min，在1min內，汽油機對外做　 　次功．
[例9]小明和小芳為了研究泡塑料和棉絮的保溫性能好壞，兩人設計并做了一個實驗．他們用這兩種材料分別包著裝有熱水的密閉燒瓶，讓她們自然冷卻，利用溫度計和計時器定時測量兩燒瓶中的水溫隨時間變化的情況．
(1)為了保證實驗的準確性，實驗前除了取大小、厚度相同的泡沫塑料和棉絮外，還應考慮影響水穩變化的其他因素，即保持燒瓶相同、水的初溫相同、環境因素相同和　 　相同．
(2)按照計劃操作，小明和小芳同學把實驗測得的時間與溫度數據填在下列表格中：
時間
t/min
0
10
20
30
40
…
150
180
泡沫塑料組水溫
T1/℃
80
64
55
50
41
…
21
20
棉絮組水溫
T2/℃
80
56
43
32
28
…
20
20
分析上表數據可知：他們實驗時的室內溫度是　 　℃．經過40min后，泡沫塑料包的燒瓶降低了　 　℃；而棉絮包的燒瓶水溫降低了　 　℃．由此可以得出的實驗結論是：　 　．
(3)除了采用相同時間內觀察水降低的溫度來比較這兩種材料的保溫性能外，根據上表數據你還可以采用
　 　方法來比較這兩種材料的保溫性能．
[例10]隨著國民經濟的發展，汽車已走進家庭．一輛小轎車以某一速度在平直路面上勻速行駛100km，消耗汽油10L．若這些汽油完全燃燒放出的熱量有30%用來驅動汽車做有用功，所用汽油的熱值為4.6×107 J/kg，密度為0.7×103kg/m3，求：
(1)這些汽油完全燃燒放出的熱量；
(2)這輛轎車以該速度勻速行駛時受到的阻力．
(3)汽車有很多用途，但也帶來很多不利影響，請列舉一例，并就如何減小該不利影響提出一條合理化建議．
[例11]國產某種型單缸四沖程汽油機滿負荷工作時一個做功沖程對外做功120J，飛輪的轉速是1500r/min，每分鐘消耗10g汽油．
(1)滿負荷工作時該汽油機的功率是多少？
(2)滿負荷工作時這種汽油機把內能轉化為機械能的效率是多少？(汽油的熱值為4.5×107J/kg)
(3)將其效率提高10%，滿負荷工作10小時可以節省汽油　 　kg．
[例12]圖1為四缸發動機工作原理：內燃機通過連桿把四個汽缸的活塞連在一根曲軸上，并使各汽缸的做功過程錯開，在飛輪轉動的每半周里，都有一個汽缸在做功，其他三個汽缸分別在做吸氣、壓縮和排氣工作．
(1)發動機在做功沖程里，高溫、高壓的燃氣推動活塞向下運動，對外做功，同時將　 　能轉化為
　 　能．
(2)圖2為發動機在做功沖程中的示意圖．下面給出公式W=pV的證明，請將推導過程補充完整(要求各表達式均用S、l或p表示)：
設活塞的面積為S，沖程長為l，燃氣對活塞的壓強為p，則燃氣對活塞的壓力F=　 　，燃氣對活塞所做的功W=　 　，又根據數學知識可知發動機的單缸排量V=　 　，故 W=pV．
[課后作業]
1．在標準狀況下氫氣的熱值1.28×107J/m3，又可以是1.43×108J/kg．由此可看出(　　)
A．同樣是氫氣，熱值可以不同
B．1 kg的氫氣在標準狀況下體積約為11.2 m3
C．1 kg的氫氣燃燒一定放出1.43×108J的熱量
D．氫氣作為燃料，燃燒時一定會嚴重污染環境
2．下列說法錯誤的是(　　)
A．熱值是燃料的一種特性，與燃料是否燃燒無關
B．比熱容是物質的一種特性，與質量大小、溫度變化量和吸放熱多少無關
C．酒精的熱值比汽油小，所以當質量相同的酒精和汽油完全燃燒時，汽油放出的熱量一定多
D．沙石的比熱容比水小，所以當水和沙石的質量相同時，沙石的溫度變化量一定比水大
3．在質量為5kg的鐵鍋中放入3kg水，要把這鍋水從20℃加熱到90℃[鐵的比熱容等于0.46×103J/(kg?℃)，煤炭的熱值等于3.4×107J/kg]，至少需要煤炭(　　)
A．259.4g B．47.7g C．30.68g D．無法確定
4．著名物理學家費米根據偵探小說的內容得知，一具尸體大約需要半天時間才能從體溫37℃降至室溫25℃．另外他通過實驗室提供的數據還了解到：體重60kg的正常人的比熱容與水相當[C水=4.2×103J/(kg?℃)]，每千克葡萄糖完全分解釋放的熱量為1.6×107J．此外，尸體的散熱量大約為正常人在相同時間內散熱量的60%．根據這些數據估算出一個正常人體內每天必須補充的葡萄糖為(　　)
A．630g B．63g C．840g D．84g
5．冷水的溫度為t1、熱水的溫度為t2．現要把冷水和熱水混合成溫度為t3的溫水，若不計熱損失，則冷水和熱水的質量之比為(　　)
A． B． C． D．
6．有質量和初溫都相同的甲、乙兩金屬球，先將甲投入一杯熱水中熱平衡后水溫降低了△t；把甲取出后，立即又將乙投入這杯水中，熱平衡后水溫又降低了△t，則甲、乙兩金屬球的比熱容的關系為(不計熱損失)(　　)
A．C甲＞C乙 B．C甲=C乙 C．C甲＜C乙 D．無法判斷
7．兩種不同的液體，它們的質量、比熱、初溫度分別為m1和m2、c1和c2、t1和t2，且t2＞t1．若不計熱量損失，則把它們混合后的共同溫度為(　　)
A． B． 　
C． 　 D．
8．氫能源具有來源廣、無污染等優點，火箭發動機用氫作燃料是因為氫的　 　很大，氫氣的熱值為1.4×108J/kg，完全燃燒0.5kg的氫氣可放　 　J的熱量；若一罐氫氣用去了一半，則剩余氫氣的熱值　 　(填“大于”“等于”或“小于”)1.4×108J/kg．
9．如圖所示為生活中常用的熱水瓶，其外壁采用鍍銀的雙層玻璃，注入一定量的熱水后，立即蓋上軟木塞，軟木塞會跳起來．這一過程中瓶內氣體的　 　能轉化為軟木塞的機械能．汽油機的　 　沖程也發生同樣的能量轉化．如果該汽油機飛輪轉速是1800r/min，則該汽油機每秒鐘內完成　 　個沖程，對外做功　 　次．
10．如圖甲所示，A、B是兩個底部裝有完全相同的加熱器的容器，加熱器產生的熱量90%可以被容器中的液體吸收，已知加熱器每秒鐘放出熱量1000J．現將甲、乙兩種液體分別倒入A、B杯中，其中甲液體的質量為200g；讓兩個加熱器同時開始工作，60s后停止加熱，然后立即將比熱容為0.2×103J/(kg．℃)的合金球迅速放入乙液體中(從球放入到達到熱平衡不計熱損失)，它們的溫度隨時間變化圖象如圖乙所示(部分圖象未畫出)．
(1)加熱60s時，乙液體吸收的熱量為多少；
(2)甲液體的比熱容為多少；
(3)合金球的質量為多少？
11．閱讀下面的材料，解答問題
向“大氣污染宣戰”
某環保局研究表明：“PM2.5來源中，機動車的排放占33.1%，排第一位，燃煤污染排放占第二位”．“減少污染排放，還我一片藍天”成為每一個公民的責任．下面是有關部門針對“節能減排”采取的部分措施
第三項措施
首批50輛LNG(液化天然氣)新能源公交車已經投入運營，如圖3所示．為了方便市民出行，市區公交車全面安裝“北斗導航系統”，市民可以通過手機(導航系統接收器)查詢公交車的動態位置．
天然氣汽車和汽油車相比較
據有關資料顯示：尾氣中的有害氣體排放明顯減少：90%CO、24%CO2、90%SO2、39%NO、無粉塵排放，因此天燃氣被稱為綠色能源．其它性能指標的比較：
根據下表提供的信息，通過計算說明：
熱機效率
熱值
價格
天然氣發動機
η2=45%
q2=2.3×107J/m3
4.5元/m3
汽油發動機
η1=30%
q1=4.6×107J/kg
9.0元/kg
①天然氣車燃燒1m3天然氣所做的有用功是多少？做同樣多的有用功，汽油車需要燃燒多少千克汽油？
②若某公交汽車每天消耗100m3的天然氣，與用汽油相比，它每天節約的運行成本是多少？
　
12．小王同學參加了學校物理興趣小組，在與同學探究“沙子和水誰的吸熱本領大”時，用兩個相同的容器分別裝有質量都是200g的沙子和水，用兩只完全相同的酒精燈在相同環境下分別加熱．他們繪制出沙子與水的溫度隨加熱時間變化的圖象如圖所示．已知酒精的熱值是3.0×107J/kg；水的比熱容是4.2×103J/(kg?℃)，設加熱時酒精燈平均每分鐘消耗0.8g酒精． 則：
(1)圖中a圖是　 　(填沙子或水)吸熱升溫的圖象
(2)給水加熱持續了10min時間，消耗的酒精如果完全燃燒將放出　 　J的熱量．
(3)沙子的比熱容為　 　．
[參考答案]
[經典例題]
1．B．　
2．C．
3．C．　
4．C．　
5．B．
6．熱傳遞；比熱容；2.1×106．
7．內；機械；做功；下．
8．做功；變大；做功；900．　
9．(1)熱水的質量．
(2)20；39；52；泡沫塑料的保溫性能比棉絮好．
(3)降低相同的溫度時．
10．(1)這些汽油完全燃燒放出的熱量為3.22×l08J；
(2)這輛轎車以該速度勻速行駛時受到的阻力為966N；
(3)使用汽車會造成噪聲污染；可在城區內禁止汽車鳴笛．　
11．(1)滿負荷工作時該汽油機的功率是1500W；
(2)滿負荷工作時這種汽油機把內能轉化為機械能的效率是20%；
(3)2．
12．(1)內；機械；
(2)pS；pSl；Sl．
[課后作業]
1．B．
2．D．　
3．C．　
4．A．　
5．B．　
6．C．
7．B．
8．熱值；7×107；等于．
9．內；做功；60；15．
10．(1)加熱60s時，乙液體吸收的熱量5.4×104J；
(2)甲液體的比熱容為3×103J/(kg?℃)；
(3)合金球的質量為5.4kg．　
11．①天然氣車燃燒1m3天然氣所做的有用功是1.035×107J；
做同樣多的有用功，汽油車需要燃燒0.75千克汽油；
②若某公交汽車每天消耗100m3的天然氣，與用汽油相比，它每天節約的運行成本是225元．
12．(1)沙子；(2)2.4×105；(3)0.91×103 J/(kg?℃)．

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