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第十二章　内能及其利用
一级主题 内容要求 情境素材
物质 物质的结构和物质世界的尺度 知道常见的物质是由分子、原子构成 1.讨论和分析水轮带动发电机发电、电风扇通电后扇叶转动、加热试管中的水后橡皮塞从管口弹出、金属丝通电后发热等过程中能量的转化和转移情况。
2.分析为什么通常沿海地区昼夜温差较 小,而沙漠地区昼夜温差较大
运动和 相互作用 多种多样的运动形式 知道自然界和生活中简单的热现象。了解分子热运动的主要特点,知道分子动理论的基本观点。 能量 内能 1.了解内能和热量。从能量转化的角度认识燃料的热值。 2.通过实验,了解比热容。能运用比热容说明简单的自然现象。 3.了解热机的工作原理,知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义 能量守恒 1.知道能量守恒定律,列举日常生活中能量守恒的实例。 2.从能量转化和转移的角度认识效率。 3.列举能量转化和转移具有方向性的常见实例 一、分子热运动
分子动 理论 常见的物质是由大量的　 　、　 　构成的;一切物质的分子都在不停地做无规则的运动,这种无规律运动叫做　 　;分子之间存在　 　力和　 　力 扩散 现象 定义 不同的物质在互相接触时　 　的现象
影响 因素 　
说明 (1)分子间有　 　;
(2)一切物质的分子都在不停地做无规则运动
分子
原子
热运动
引
斥
彼此进入对方
温度
空隙
注意:分子间的引力和斥力同时存在,同时消失不存在只有引力或只有斥力的情况。
1.如图甲所示,抽掉玻璃板后,两个瓶子内的气体会混合在一起,这是　 　现象,它说明分子在不停地　 　;如图乙所示,两个铅柱没有被重物拉开,主要是由于铅柱的分子之间有　 　
扩散
做无规则的运动
引力
二、内能
1.定义:构成物体的所有分子,其热运动的动能与　 　的总和。
2.影响因素:质量和　 　。
3.改变内能的方式:　 　。
分子势能
温度
做功和热传递
方式 实质 条件 方式
做功 其他形式的能(主要是机械 能)与内能的转化 外界对物体做功,物体的内能　 压缩体积、摩擦生热、锻打物体,弯折物体等
物体对外做功,物体的内能　 气体膨胀做功
热 传 递 内能的　 　(由高温物体转移到低温物体或从物体的高温部分转移到低温部分) 不同物体或物体的不同部位之间存在 　 热传导、对流、辐射
说明:做功和热传递对改变物体的内能是等效的。一个物体的内能改变了,可能是利用了　 　的方法,也可能是利用了　 　的方法 增加
减少
转移
温度差
做功
热传递
三、比热容
物理意义 比热容是描述物质吸热本领的物理量
定义 　 　质量的某种物质,在温度升高时　 　与　 　和　 _
　之比,叫做这种物质的比热容。用符号　 　表示
说明 单位质量的某种物质,温度降低1 ℃所放出的热量,与它温度升高1 ℃所吸收的热量相等,数值上也等于它的比热容
单位 　 　[符号:　 　]
水的比 热容 ①水的比热容是　 　,它的物理意义:　 　的水温度升高(或降低)　 　所吸收(或放出)的　 　为4.2×103 J;
②水的比热容大的利用:一是取暖,二是散热,三是调节气候
吸、放 热公式 吸热公式:　 　;
放热公式:　 　;
若不考虑热损失,则Q吸=Q放(热平衡方程)
一定
吸收的热量
它的质量
升高的温度
乘积
c
焦每千克摄氏度
J/(kg·℃)
4.2×103 J/(kg·℃)
1 kg
1 ℃
热量
Q吸=cm(t-t0)
Q放=cm(t0-t)
注意:比热容的大小只取决于物质本身(即物质的种类和状态),而与物质的质量、形状、吸收或放出热量的多少以及温度的变化均没有关系。
2.沿海地区昼夜温差比沙漠要小得多,这是因为水的　 　;相同质量的海水与沙石吸收相同的热量,　 　的温度升高的少
比热容较大
海水
四、热机
1.热机
定义 利用　 　能来做功的机械 原理 燃料的燃烧将化学能转化为　 　能,再利用　 　能做功,转化为　 　能 分类 蒸汽机、内燃机、喷气发动机等 内燃机 定义 燃料直接在发动机　 　内燃烧产生动力的热机
分类 汽油机和柴油机
汽油机 构造 汽缸上部有进气门、排气门,顶部有火花塞,活塞用连杆和曲轴相连
工作 冲程 　 冲程;　 　冲程;　 　冲程;　 　冲程
内
内
内
机械
汽缸
吸气
压缩
做功
排气
注意:四个冲程叫做一个工作循环。在每个工作循环中,汽缸中的活塞往复两次,曲轴转动两周。在四个冲程中,只有做功冲程是燃气对外做功,其他三个冲程是辅助冲程,要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
2.热值
(1)定义:某种燃料　 时放出的热量与其质量之比。用符号　 　表示。
(2)单位:　 　或J/m3。
(3)热量公式:Q放=mq或Q放=Vq。
注意:热值的大小与燃料的形状、体积、质量无关,只与燃料的种类有关。
3.热机效率
(1)定义:用来做　 　的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。
完全燃烧
q
J/kg
有用功
(3)提高热机效率的途径:减少各种　 　损失,减少摩擦,尽可能使燃料充分燃烧。
热量
3.如图甲所示,进气门打开,活塞下行,是　 　冲程;如图乙所示,两气门都关闭,活塞上行,是　 　冲程,此冲程将机械能转化为　 　能;如图丙所示,两气门都关闭,　 　点火,活塞下行,是　 　冲程,此冲程将内能转化为　 　能;如图丁所示,排气门开启,活塞上行,是　 　冲程。每一个工作循环分为四个冲程,此过程中曲轴和飞轮转动　 　周,活塞往复运动　 　次,对外做功　 　次
吸气
压缩
内
火花塞
做功
机械
排气
2
2
1
五、能量守恒定律
能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,它只会从一种形式　 　为其他形式,或者从一个物体
　 　到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持　 　。
转化
转移
不变
4.小球在弹跳过程中,要克服空气摩擦　 　,弹跳的高度越来越　 　,机械能转化为内能,机械能　 　,但能量的总量　 　
做功
小
减小
保持不变
考点一　分子热运动
[典例1] (2022常德)下列生活中的事例不能说明分子不停地做无规则运动的是(　 　)
A.端午节蒸粽子时,满屋子都弥漫着粽香
B.将一勺糖放入一杯清水中,一段时间后整杯水都变甜了
C.打扫教室地面时,在阳光下看到灰尘在空中飞舞
D.腌制猪肉时,将盐涂抹在猪肉表面,几天后整块肉都变咸了
C
思路点拨:分子运动与机械运动的判断
[变式1] (2022百色)小刚在接种疫苗时,能闻到医护人员擦拭在他手臂上酒精的气味,这是　 　现象;封闭在注射器内的空气压缩到一定程度就很难再被压缩,这是因为分子间存在　 　 (选填“引力”或“斥力”)。
扩散
斥力
考点二　内能
[典例2] (2022吉林)下列实例中,通过热传递改变物体内能的是(　 　)
A.搓手取暖
B.用冷水冷却热鸡蛋
C.钻木取火
D.磨刀时刀的温度会升高
思路点拨:
B
[变式2] (2022黑龙江)下列关于内能知识的描述正确的是(　 　)
A.物体温度越高内能越大,所以0 ℃的冰没有内能
B.温度越高的物体含有的热量越多,所以0 ℃的冰没有热量
C.摩擦生热是通过做功的方式改变了物体的内能
D.物体吸收热量,内能增加,温度一定升高
C
1.内能的改变:改变物体内能的两种方式,解答的突破口是根据做功和热传递在改变内能上的条件来进行区分;做功来改变内能的主要方式是压缩体积、摩擦、敲打、弯折等,而热传递改变内能的方式主要是存在温度差引起的内能的转移。
2.温度、内能、热量的关系
(1)物体吸热,内能一定增加,温度不一定升高;物体放热,内能一定减少,温度不一定降低。
(2)物体温度升高,内能一定增加,可能吸热,可能外界对物体做功。
(3)物体温度降低,内能一定减少,可能放热,也可能物体对外界做功。
(4)热量是在热传递过程中传递能量的多少,只能描述为“吸收”或“放出”,不能说“具有”热量或“含有”热量。
考点三　比热容的理解和应用
[典例3] (2022成都模拟)用相同的电加热器分别对质量相等的甲、乙两种液体加热,相同时间内电加热器产生的热量相同,不计热量损失,如图所示是甲、乙的温度随加热时间变化的图象,下列说法正确的是(　 　)
A.沸腾前,升高相同温度,甲吸收的热量较少
B.8 min之后,甲的温度不变,不再吸收热量
C.甲、乙两种液体的比热容之比为4∶5
D.甲、乙两种液体的比热容之比为2∶1
思路点拨:
D
[变式3] (2022扬州模拟)下列说法正确的是(　 　)
A.物体吸收的热量越多,它的比热容就越大
B.沿海地区比内陆地区昼夜温差小,是因为水的比热容比沙石的比热容大
C.晶体在熔化过程中吸收热量,温度、质量、比热容均不变
D.组成物质的大量分子无规则运动的剧烈程度与比热容有关
B
对比热容的理解
(1)比热容是表示物质吸、放热本领大小的物理量,在相同条件下不同的物质吸收(或放出)相同的热量,物体的温度不同,比热容小的温度变化大;相同质量的不同物质,升高(或降低)相同的温度,吸收(或放出)的热量不同,比热容大的吸收(或放出)的热量多,正是由于这一特性,自然界中有许多现象都是由比热容的大小引起的。
(2)同一物质的比热容随状态的改变而改变。例如,水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃),变为固态的冰后的比热容是2.1×103 J/(kg·℃)。
(3)不同物质的比热容一般不同。
考点四　热量、热机效率的相关计算
[典例4] (2022云南)顺口溜“五月五、过端午、蒸粽子、吃包子、挂菖蒲、佩香囊、赛龙舟”,生动地呈现了某地端午文化习俗。蒸粽子是利用水沸腾产生的蒸气进行加热。若将2.5 kg的水加热到沸腾,水温升高了80 ℃。[c水=4.2×103 J/(kg·℃),q煤=3×107 J/kg]在此过程中,求:
(1)水吸收的热量。
解析:(1)水吸收的热量Q吸=c水m水Δt=4.2×103 J/(kg·℃)×2.5 kg×80 ℃=8.4×105 J。
答案:(1)8.4×105 J
(2)采用煤炉加热,煤炉加热水的效率为10%,煤燃烧放出的热量。
(3)需要完全燃烧煤的质量。
答案:(2)8.4×106 J (3)0.28 kg
[变式4] (2022靖江模拟)某款摩托车,发动机的输出功率为8 kW,若摩托车以36 km/h的速度在水平路面上匀速直线行驶2 h,消耗了3.6 kg燃油。(燃油的热值q=4.0×107 J/kg)求:
(1)摩托车行驶的路程。
(2)摩托车发动机的效率。
解析:(1)s=vt=36 km/h×2 h=72 km。
答案:(1)72 km　(2)40%　
(3)匀速直线行驶过程中车所受的阻力。
答案:(3)800 N
热量计算主要有下列两种类型
实验　比较不同物质的吸热情况
1.实验器材:规格　 　的电加热器、玻璃杯、秒表、　 　、　 　。
2.实验液体:选择质量　 　的不同液体。
3.实验方法
(1)控制变量法:用相同的加热器、玻璃杯,让质量　 　的水和食用油,升高相同的温度,比较　 　或加热相同的时间比较　 　。
(2)转换法:通过　 　或加热时间的长短判断吸热能力的强弱。
4.用相同热源加热的目的:保证相同加热时间内两种物质吸收的热量　 　。
相同
温度计
天平
相同
相同
加热时间的长短
温度的变化
温度计示数的变化
相同
5.加热方式选用电加热器的原因:因为酒精灯加热的位置、火焰的大小不好控制,而电加热器是内部加热,便于使不同的两种液体吸收相同的热量。
6.比较不同物质吸热能力的方法
(1)可以让质量相同的不同物质吸收相同的热量,比较温度的变化,温度变化　 　的说明吸热能力强;
(2)也可以让质量相同的不同物质升高相同的温度,比较加热的时间,加热时间　 　的说明吸热能力强。
7.实验结论:不同的物质,在质量相等、升高的温度相同时,　 　不同,在物理学中,用　 　来表示不同物质这种性质上的差别。
小
长
吸收的热量
比热容
[例题]为了比较水和煤油吸热本领的大小,某同学做了如图所示的实验,在两个相同的烧杯中,分别装有水和煤油,用相同的电加热器分别对它们加热相同的时间。
液体名称 质量/g 初温/℃ 末温/℃ 加热时间/min 吸收的热量
水 200 20 28 1 Q
28 36 1 Q
36 43 1 Q
煤油 200 20 36 1 Q
36 52 1 Q
52 68 1 Q
[基础练]
(1)实验中应保证水和煤油的初温与　 　(选填“质量”或“体积”)都相同。
(2)实验中选择相同规格的电加热器,可以认为在相同时间内水和煤油　 　相同,然后比较　 　的方法来完成探究实验的。
(3)从表中的数据可以得到
①相同质量的水(或煤油),它们吸收相同的热量后升高的温度几乎是　 　的;
②相同质量的水和煤油,它们吸收相同的热量后升高的温度是　 　的。
(4)由(3)中①②两个结论发现,不同物质吸热的本领大小不同,为了描述物质吸热本领大小,引入了一个物理量,它就是　 　。
(5)春城昆明之所以冬无严寒,夏无酷暑,一个原因是高原明珠“滇池”对气温起到了调节作用,因为水的　 较大,当水吸收或放出相同的热量时,温度变化较小。
质量
吸收的热量
升高的温度
相同
不同
比热容
比热容
[拓展练]
(6)该实验除了图中的实验器材外,还需要用到的实验器材有:秒表和　 　。
(7)分析实验数据可知,此实验是通过比较　 　(选填“加热时间”或“温度变化”)来判断吸热能力强弱的,所以停止加热后,　 　温度下降得快。
(8)该实验用到的研究方法有:转换法和　 　。
(9)根据实验数据可得煤油的比热容为　 　J/(kg·℃)。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
(10)如图所示是第1组同学绘制的“吸收热量—时间”和“温度—时间”图象,能正确描述该实验真实情况的图象是　 　(选填序号)。
天平
温度变化
煤油
控制变量法
2.1×103
C
(11)本实验中用电加热器代替传统的酒精灯加热,这样做的好处是　 　(合理即可)。
(12)该实验主要利用　 　(选填“热传递”或“做功”)的方式来增加水和食用油的内能的。
电加热器热损失少,效率高
热传递
1.(2022赤峰)如图所示,一只锥形瓶中灌入氨气,另一只锥形瓶内壁贴一条浸过酚酞溶液的试纸。打开活塞,一会儿就可以看到试纸逐渐变红。这个现象主要表明(　 　)
A.分子在永不停息地运动
B.分子间有间隙
C.分子间有作用力
D.分子是很微小的
A
2.(2022泰州)夏天,将饮料放入冰箱冷藏室,饮料温度降低。下列说法正确的是(　 　)
A.饮料将温度传递给冰箱中的空气
B.饮料放出热量后自身所含热量减少
C.饮料温度降低的过程伴随着内能的转移
D.饮料放热是因为饮料的内能比冰箱中空气的内能多
3.(2022连云港)关于温度、热量和内能,下列说法正确的是(　 　)
A.0 ℃的冰块内能为0
B.温度高的物体含有的热量多
C.汽油机做功冲程汽缸内燃气的内能增加
D.两个发生热传递的物体之间一定存在温度差
C
D
4.(2022南宁)2022年6月5日,长征二号F遥十四运载火箭搭载神舟十四号载人飞船成功发射升空。关于运载火箭发射升空时涉及的物理知识,下列说法正确的是(　 　)
A.使用的燃料热值较小
B.大量“白气”涌向四周是扩散现象
C.燃料燃烧时将内能转化为化学能
D.燃气主要通过热传递使周围的空气内能增大
5.(2022十堰)为实现国家关于“碳达峰”“碳中和”目标,某集团研发了一款新型汽车,与某款汽车同样油耗和使用条件下,新型汽车发动机工作时,尾气中“汽油味”明显降低,动力更强劲。如图所示为其发动机某一冲程示意图,下列有关说法错误的是(　 　)
A.尾气中“汽油味”降低,是因为汽油在汽缸中燃烧比较完全
B.该冲程为做功冲程,内能转化为机械能
C.汽油在汽缸内完全燃烧,发动机效率可达100%
D.该发动机减少了碳排放,有利于节约能源和环境保护
D
C
6.(2022河南节选)亲身体验并深入思考是我们获得物理知识的重要方法。将一根铁丝快速反复弯折,弯折处发热,可认识到　 　可以改变物体的内能。用注射器取水后封住前端,用力推活塞,水很难被压缩,说明分子间存在　 　。
7.(2022怀化)如图所示为冬天人们常用的电热水袋,使用十分方便,充电加热后,能够放热较长时 间,其内部液体主要成分是水,是因为利用了水的　 　较大;若该热水袋装有1 kg的水,充电加热后温度为50 ℃,使用一段时间后温度降低到20 ℃,则此过程中放出的热量为　 　J。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
做功
斥力
比热容
1.26×105
8.(2022广安)为了探究不同物质的吸热能力,在两个相同的容器中分别装入质量、初温都相同的两种液体A、B,并且用相同的装置加热,如图甲所示。
(1)实验中,可以通过比较　 　(选填“升高的温度”或“加热时间”)来反映两种液体吸收热量的多少。
(2)加热到4 min时,液体B的温度如图乙所示,此时温度计示数是　 　℃。
(3)冬天,如果你想自制暖手袋,应选液体　 　(选填“A”或“B”)作为供暖物质,其效果更佳。
(4)上述实验中,主要用到的科学探究方法有转换法和　 　。
加热时间
42
A
甲
乙
控制变量法
丙
9.(2022南充改编)用某型号天然气热水器烧水,完全燃烧热值为3.2×107 J/m3的天然气0.125 m3,水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。则:
(1)这些天然气完全燃烧放出多少热量
(2)若该热水器的加热效率为84%,则能将40 kg初始温度为20 ℃的水加热至多少
解析:(1)燃烧0.125 m3的天然气放出的热量Q放=qV=3.2×107 J/m3×0.125 m3=4.0×106 J。
答案:(1)4.0×106 J　(2)40 ℃

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