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第5節 內能
一、內能
1、內能：物體內部所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內能，俗稱熱能。
2、物體在任何情況下都有內能：既然物體內部分子永不停息地運動著和分子之間存在著相互作用，那么內能是無條件的存在著。無論是高溫的鐵水，還是寒冷的冰塊。
3、影響物體內能大小的因素：
①溫度：在物體的質量，材料、狀態相同時，溫度越高物體內能越大。
②質量：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。
③材料：在溫度、質量和狀態相同時，物體的材料不同，物體的內能可能不同。
④存在狀態：物體的溫度、材料質量相同時，物體存在的狀態不同時，物體的內能也可能不同。
4、內能與機械能不同：
機械能是宏觀的，是物體作為一個整體運動所具有的能量，它的大小與機械運動有關；
內能是微觀的，是物體內部所有分子做無規則運動的能的總和。內能大小與分子做無規則運動快慢及分子作用有關。這種無規則運動是分子在物體內的運動，而不是物體的整體運動。
例1、關于內能的概念，下列說法中正確的是(　　)
A．熾熱的鐵水具有內能，冰冷的冰塊不具有內能
B．在空氣中飛行的鉛球具有動能，不具有內能
C．一切物體都具有內能，但不一定具有機械能
D．溫度低的物體具有的內能少，溫度高的物體具有的內能多
例2、關于溫度、熱量、內能，說法正確的是（　　）
A．相互接觸的兩個物體，熱量總是從內能多的物體傳向內能少的物體
B．物體吸收了熱量，它的溫度一定升高
C．質量相同時，溫度升高較多的物體吸收的熱量一定多
D．物體內能減小時，不一定是物體放出了熱量
例3、將冰塊放在泡沫箱中可制成簡易“冰箱”，把一瓶飲料放入“冰箱”后，冰塊和飲料的溫度隨時間變化的曲線如圖所示，在兩物體溫度達到相同之前，下列說法正確的是（　　）
303085527940A．甲是冰塊
B．乙吸收熱量
C．甲內能增加
D．乙內能減少
例4、下列是關于水蒸發致冷現象的解釋，
①水分子運動速度有大有小；
②剩余的水內能減少，溫度降低；
③剩余的水分子運動速度相對較小；
④速度大的水分子動能大，更易擺脫周圍分子的“束縛”，跑到空氣中。
此解釋合理的順序是（ ?? ）
A.?①④③②???????????????????????????B.?②③①④???????????????????????????C.?③①④②???????????????????????????D.?④③②①
二、物體內能的改變
1、內能改變的外部表現：
物體溫度升高（降低）——物體內能增大（減小）。
物體存在狀態改變（熔化、汽化、升華）——內能改變。
反過來，不能說內能改變必然導致溫度變化。（因為內能的變化有多種因素決定）
2、改變內能的方法：做功和熱傳遞。
A、做功改變物體的內能：
①做功可以改變內能：對物體做功物體內能會增加；物體對外做功物體內能會減少。
②做功改變內能的實質是內能和其他形式的能的相互轉化。
③如果僅通過做功改變內能，可以用做功多少度量內能的改變大小。（Ｗ＝△Ｅ）
④解釋事例：
false
壓縮氣體：現象：看到棉花燃燒起來了。原因：這是因為活塞壓縮空氣做功，使空氣內能增加，溫度升高，達到乙醚著火點，乙醚燃燒，放出熱量，從而達到棉花著火點使棉花燃燒。
木塞實驗：現象：塞子向上跳起，瓶內出現白霧。原因：該過程中，打氣筒的機械能轉化為瓶內氣體的內能瓶內氣體的內能增加。當塞子跳出時，瓶內氣體的內能轉化為塞子的機械能，此時瓶內氣體的內能減小溫度降低導致酒精氣體液化，形成所觀察到的現象。
鉆木取火：使木頭相互摩擦，人對木頭做功，使它的內能增加，溫度升高，達到木頭的著火點而燃燒。
B、熱傳遞可以改變物體的內能。
①熱傳遞是熱量從高溫物體向低溫物體或從同一物體的高溫部分向低溫部分傳遞的現象。
②熱傳遞的條件是有溫度差，傳遞方式是：傳導、對流和輻射。熱傳遞傳遞的是內能（熱量），而不是溫度。
③熱傳遞過程中，物體吸熱，溫度升高，內能增加；放熱，溫度降低，內能減少。
④熱傳遞過程中，傳遞的能量的多少叫熱量，熱量的單位是焦耳。熱傳遞的實質是內能的轉移。
C、做功和熱傳遞改變內能的區別：由于它們改變內能上產生的效果相同，所以說做功和熱傳遞改變物體內能上是等效的。但做功和熱傳遞改變內能的實質不同，前者能的形式發生了變化，后者能的形式不變。
D、溫度、熱量、內能 區別：
△溫度：表示物體的冷熱程度。
溫度升高，內能增加，不一定吸熱。如：鉆木取火，摩擦生熱。
△熱量：是一個過程量。
吸收熱量：不一定升溫。如：晶體熔化，水沸騰。
內能不一定增加。如：吸收的熱量全都對外做功，內能可能不變。
熱量是過程量，發生吸、放熱才講熱量。
△內能：是一個狀態量
內能增加：不一定升溫。如：晶體熔化，水沸騰。
不一定吸熱。如：鉆木取火，摩擦生熱
例1、下列事例中，改變物體內能的途徑與其他三項不同的是（ ??? ）
A.??B.?C.?D.?
例2、下列現象中，利用做功改變物體內能的是________，其余是通過________方式改變物體內能的。
①冬天，人們用雙手反復摩擦取暖。 ②在古代，人們鉆木取火。
③冬天，人們用嘴對著雙手“呵氣”取暖。④把燒紅的鐵塊放到冷水中，冷水變熱。
⑤曬太陽時會覺得很熱。 ⑥用錘子反復打擊一塊鐵片，它的溫度會升高。
⑦多次彎折一根鐵絲，彎折處會發燙。
例3、一個物體的內能增加，則（　　）
A．物體一定發生了熱傳遞，本身溫度升高 B．物體一定對外做功，本身溫度升高
C．一定有外力對物體做功，本身溫度升高 D．物體可能克服摩擦做功，本身溫度升高
例4、下面是用氣球做的兩個小實驗，試回答相關問題。
(1)如圖甲，松開氣球的口子，快速放氣后會感到氣球變涼，這是因為氣體____________導致內能減小。
(2)如圖乙，松開氣球的口子，氣球向后噴出氣體的同時，氣球會沿著繩子快速向前飛去，這說明_________________。
例5、夏季，在高速公路服務區內，一些重型汽車停在有水的坑里，這是因為汽車在高速行駛過程中，通過 方式增加輪胎的內能，使輪胎的溫度 ；輪胎停在水中，通過 方式減少內能，使輪胎的溫度溫度 ，以保行車安全.
三、熱量
1、比熱容
⑴ 定義：單位質量的某種物質溫度升高（降低）1℃時吸收（放出）的熱量。
⑵ 物理意義：表示物體吸熱或放熱的本領的物理量。
⑶比熱容是物質的一種特性，大小與物體的種類、狀態有關，與質量、體積、溫度、密度、吸熱放熱、形狀等無關。
⑷水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃) 表示：1kg的水溫度升高（降低）1℃吸收（放出）的熱量為4.2×103J。
⑸水常調節氣溫、取暖、作冷卻劑、散熱，是因為水的比熱容大。
2、計算公式：Ｑ吸＝cm（t－t0），Ｑ放＝cm（t0－t）
3、熱平衡方程：不計熱損失 Ｑ吸＝Ｑ放
例1、對于同一物態的某種物質,根據c= 得知（?? ）
A.?比熱跟熱量成正比???????????????????????
B.?比熱跟質量成反比
C.?比熱跟溫度變化成反比???????????????
D.?吸收或放出的熱量跟質量與溫度變化的乘積之比是個恒量
例2、甲、乙兩個相同的杯子中盛有質量和初溫都相同的水，另有A、B兩個金屬球，其質量和初溫也都相同，且都比水的溫度高。現將A、B兩球分別浸沒在甲、乙兩杯水中，熱平衡后，甲杯水溫升高了15 ℃，乙杯水溫升高了8 ℃(不計熱損耗)。則(　　)
A．A球比熱容大于B球比熱容
B．A球比熱容小于B球比熱容
C．A球放出的熱量等于B球放出的熱量
D．A球放出的熱量小于B球放出的熱量
5219065102870例3、科學上通常用“功”和“熱量”來量度物體能量的變化。
（1）在“使用動滑輪”活動中，小科利用如圖所示裝置，用豎直向上的大小為10N的拉力F使物體A勻速提升了0.1m。如果該裝置的機械效率為70%，則這一過程中，克服物體A的重力所做的功為________J，這個值也是物體A增加的機械能。
（2）把質量為2kg，溫度為25℃的水加熱到100C，至少需要完全燃燒________g的酒精。上述過程中，水的內能增加是通過________(填“做功”或“熱傳遞”)的途徑實現的。【已知:水的比熱容為4.2×103J/(kg℃)，酒精的熱值為3.0×107J/kg】
例4、如圖所示，在比較酒精和水的比熱容大小的實驗中，用圖甲裝置對相同質量的酒精和水進行加熱，得到圖乙的溫度隨時間變化的圖像。下列說法正確的是(　　)
A． 用同一盞酒精燈對兩個試管同時加熱是為了使酒精和水吸收相同的熱量
B．質量相同的不同物質，加熱相同時間，吸收熱量不同
C．從圖像可知水的比熱容比酒精的小
D．從圖像可知質量相同的不同種物質升高相同的溫度，吸收的熱量相同
例5、當今太陽能熱水器已經在廣安城鄉用得非常普遍了，如圖所示。已知某太陽能熱水器在冬季有效日照時段里，能將8 ℃、100 L水加熱到38 ℃。[水的比熱容為4.2×103 J/(kg·℃)，水的密度為1.0×103 kg/m3]
(1)熱水器中水的質量是多少？
(2)在此過程中，水吸收了多少熱量？
(3)若此期間太陽輻射到熱水器的熱量為4.2×107 J，則該熱水器的效率是多少？
四、熱機
1、熱機的定義：利用內能來做功的機器。
2、熱機的能量轉換：內能轉化為機械能。
3、熱機的種類：蒸汽機、內燃機（汽油機和柴油機）、汽輪機、噴氣發動機等
4、四沖程內燃機包括四個沖程：吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程。活塞從氣缸的一端運動到氣缸的另一端的過程，叫做一個沖程。熱機完成一個工作循環，要經過4個沖程，燃氣對外做功1次，活塞往返2次，飛輪轉動2周。內燃機的工作過程：
吸氣沖程： 進氣門打開，排氣門關閉。活塞由上端向下端運動，汽油和空氣組成的燃料混合物從進氣門吸入氣缸。
壓縮沖程：進氣門和排氣門都關閉，活塞向上運動，燃料混合物被壓縮，壓強增大，溫度升高。
做功沖程：在壓縮沖程末尾，火花塞產生電火花，使燃料猛烈燃燒，產生高溫高壓的燃氣，推動活塞向下運動，并通過連桿帶動曲軸轉動。
排氣沖程：進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動，把廢氣排出氣缸。
辨別沖程：注意觀察氣門、活塞運動方向、曲軸位置
在這四個階段，吸氣沖程、壓縮沖程和排氣沖程是依靠飛輪的慣性來完成的，而做功沖程是內燃機中唯一對外做功的沖程，是由內能轉化為機械能。另外壓縮沖程將機械能轉化為內能。
沖程
進氣門
排氣門
活塞運動方向
能量轉化
吸氣
打開
關閉
向下
壓縮
關閉
關閉
向上
機械能轉化為內能
做功
關閉
關閉
向下
內能轉化為機械能
排氣
關閉
打開
向上
例1、下列四沖程汽油機的一個工作循環示意圖中，屬于做功沖程的是 （ ）
例2、下列流程圖是用來說明單缸四沖程汽油機的一個工作循環及涉及的主要能量轉化情況。關于對圖中①②③④的補充正確的是(　　)
A． ①做功沖程 ②內能轉化為機械能 ③壓縮沖程 ④機械能轉化為內能
B．①壓縮沖程 ②內能轉化為機械能 ③做功沖程 ④機械能轉化為內能
C．①壓縮沖程 ②機械能轉化為內能 ③做功沖程 ④內能轉化為機械能
D．①做功沖程 ②機械能轉化為內能 ③壓縮沖程 ④內能轉化為機械能
例3、世界上很多發明都是受到生活現象的啟發而萌生的創意，比如：蒸汽機和汽油機，它們工作時，能的轉化過程是______________。圖中________是汽油機的工作原理圖。
例4、隨著我國人民生活水平的提高，家庭小汽車作為一種普通的交通工具已經進入千家萬戶。
(1)汽車發動機一般是汽油機，在 沖程把燃料燃燒產生的內能轉化為機械能；若飛輪轉速是1 200 r/min，則該汽油機每秒做功 次。
(2)閱讀了某品牌汽車發動機的說明書后，將內燃機的能量流向制成如圖所示的圖表，已知圖表中的各項數據為：廢氣內能30%，散熱損失25%，機械損失10%。根據給出的信息，該內燃機的效率為 %。
(3)近幾年全球汽車保有量在迅速增長，網上查知截至2014年，全球處于使用狀態的汽車數量已突破12億輛。每輛汽車每年平均耗油1.8 t，汽車內燃機的效率平均值取30%。如果能把內燃機效率提高到第(2)問中汽車發動機的效率，請計算全球每年可以節約 t燃油。
例5、
五、熱機的效率
1、熱值：
①定義：1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量，叫做這種燃料的熱值。
②單位：固體燃料的熱值的單位是焦耳每千克（J/kg）、氣體燃料的熱值的單位是焦耳每立方米（J/m3）。
③熱值是燃料本身的一種特性，只與燃料的種類有關，與燃料的形態、質量、體積無關。
④公式：Q放＝qm、Q放＝qV
Q——放出的熱量——焦耳（J）；q——熱值——焦耳每千克（J/kg）；m——燃料質量——千克（kg）。
Q——放出的熱量——焦耳（J）；q——熱值——焦耳每立方米（J/m3）；V——燃料體積——立方米（m3）。
煤氣的熱值3.9×107J/m3，物理意義為：體積為1m3的煤氣完全燃燒放出的熱量為3.9×107J。
焦炭的熱值3.0×107J/kg，物理意義為：質量為1 kg 的焦炭完全燃燒放出的熱量為3.0×107J。
⑤火箭常用液態氫做燃料，是因為：① 液態氫的熱值大；② 液態氫的體積小，便于儲存和運輸。
用來做有用功的那部分能量與燃料完全燃燒放出的能量之比，叫做熱機的效率。
公式：η=false×100%= false×100%(熱機)
或η=false ×100%= false×100%（爐子效率或燃料利用率）
3、提高熱機效率的途徑：
① 使燃料充分燃燒，盡量減小各種熱量損失；
② 機件間保持良好的潤滑，減小摩擦；
③ 在熱機的各種能量損失中，廢氣帶走的能量最多，設法利用廢氣的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
例1、下列關于熱值的說法正確的是(　　)
A．物質的熱值跟物質燃燒放出的熱量有關
B．物質的熱值跟物質的溫度有關
C．物質的質量越大，它的熱值越大
D．物質的熱值是物質本身的一種特性，與質量沒有關系
例2、煤油的熱值大于酒精的熱值，下列說法中正確的是(　　)
A．煤油比酒精含有的熱量多
B．燃燒相同質量的煤油和酒精，煤油放出的熱量要多些
C．完全燃燒相同質量的煤油和酒精，利用煤油剛好能燒開一壺水，那么利用酒精則不能燒開這壺水(效率相同條件下)
D．通風條件越好，供氧越充足，兩種燃料的熱值就越大
例3、體積為0.28 m3、熱值為3.9×107 J/m3 的煤氣完全燃燒放出的熱量為 J；若這些熱量的50%被溫度為20 ℃、質量為30 kg的水吸收，則水的末溫是 ℃。[水的比熱容為4.2×103 J/(kg·℃)]
例4、2019年5月6日，聊城首批30輛氫燃料新能源公交車投放使用。氫燃料具有清潔無污染、效率高等優點，被認為是21世紀最理想的能源，[c水＝4.2×103J/（kg?℃）；q氫＝1.4×108J/kg）求：
（1）質量為0.3kg的氫燃料完全燃燒放出的熱量；
（2）若這些熱量全部被質量為200kg，溫度為15℃的水吸收，則水升高的溫度；
（3）某氫能源公交車以140kW的恒定功率做勻速行駛，如果0.3kg的氫燃料完全燃燒獲得熱量的焦耳數和公交車所做的功相等，則這些熱量能讓該公交車勻速行駛多長時間。
參考答案：
1、例1、C例2、D例3、B例4、A
2、例1、A
例2、①②⑥⑦　熱傳遞
例3、D
例4、(1)對外做功　(2)力的作用是相互的
例5、做功；升高 ；熱傳遞；降低
3、例1、D例2、A例3、（1）1.4（2）21；熱傳遞 例4、A
例5、(1)太陽能熱水器中水的體積 V＝100 L＝100 dm3＝0.1 m3，
由ρ＝可得，水的質量 m＝ρV＝1.0×103 kg/m3×0.1 m3＝100 kg。
(2)在此過程中，水吸收的熱量：
Q吸＝cm(t－t0)
＝4.2×103 J/(kg?℃)×100 kg×(38 ℃－8 ℃)
＝1.26×107 J。
(3)該熱水器的效率：
η＝×100%＝×100%＝30%。
4、例1、C例2、C例3、內能轉化為機械能　乙例4、（1）做功；10（2）35（3）3.1×108
5、例1、D例2、C例3、1.092×107；63.3
例4、（1）質量為0.3kg的氫燃料完全燃燒放出4.2×107J熱量；
（2）若這些熱量全部被質量為200kg，溫度為15℃的水吸收，則水升高50℃；
（3）這些熱量能讓該公交車勻速行駛300s。

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