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第3章 能量的转化与守恒
第5节 物体的内能
学习目标
1.了解内能的概念，理解做功和热传递是改变内能的两种方法，知道做功和热传递过程中能量转化和转移的实质。
2.知道热量的概念，知道在热传递过程中用热量来量度内能的变化。
3.通过实验认识比热容的概念与单位，尝试用比热容解释有关自然现象。
4.知道热机的工作原理，了解汽油机的工作过程。
5.知道燃料的热值，了解提高燃烧效率的措施。
知识点1 内能
1.分子动能和分子势能
分子动能 构成物质的分子在永不停息地做无规则的热运动。同一切运动着的物体具有动能一样，物体内运动着的分子具有动能，称为分子动能。物体的温度越高，分子运动得越快，它们具有的动能越大
分子势能 分子间存在相互作用的引力和斥力，当分子间距离发生变化时，相当于发生“弹性形变”，所以分子具有势能
定义 物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能，俗称热能
单位 焦耳，简称焦，符号是
2.内能
3.对内能的理解
（1）内能是指物体的内能，是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，是一个宏观量，所以，单纯讨论一个分子的内能是没有意义的。
（2）一切物体在任何情况下都具有内能。根据分子动理论可知，一切物体的分子都在永不停息地做无规则运动，且分子间都存在着相互作用的引力和斥力，无论物体处于何种状态、何种形状、温度高低，都是如此。因此，一切物体在任何情况下都具有内能。例如，对于同样一杯水， 时具有内能， 时也具有内能，结成冰后仍然具有内能，只不过温度降低时其内能减少了而已。
（3）内能具有不可测量性，即不能准确知道一个物体内能总量的具体数值。
4.影响物体内能大小的因素
物体内能改变的宏观表现
（1）温度变化：物体的温度升高，内能增大；温度降低，内能减小。
（2）物态变化：例如，晶体熔化时内能增加，晶体凝固时内能减小。
5.内能和机械能的区别与联系
内能 机械能
区别 定义 物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和 整个物体具有的动能和势能的总和
影响因素 物体的温度、质量、状态、体积、物质种类 物体的质量、速度、高度和弹性形变程度
研究对象 微观世界的大量分子 宏观世界的所有物体
存在条件 永远存在 物体运动时、被举高时、发生弹性形变时
联系 （1）物体无论是否具有机械能，一定具有内能； （2）物体的内能和机械能之间可以相互转化 典例1 关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A
A.一切物体都具有内能 B.物体的内能增加，温度一定升高
C. 时物体没有内能 D.物体的温度不变，它的内能一定不变
[解析] 晶体熔化时，内能增加，温度不变； 一切物体在任何情况下都具有内能； 晶体凝固时，温度不变，但内能一直在减少。
知识点2 物体内能的改变
1.热传递改变物体的内能
（1）现象探究：热传递改变物体的内能
现象
现象分析 热水袋的温度降低，内能减少；人体温度升高，内能增加，能量从热水袋传给人体 工件温度降低，内能减少；冷水温度升高，内能增加，能量从工件传给水 烧水时，水的温度升高，内能增加，能量从火焰传给铁锅和水
探究归纳 温度不同的物体相互接触时发生热传递，低温物体的温度升高，内能增加，高温物体的温度降低，内能减少，即内能从高温物体转移到低温物体，所以热传递可以改变物体的内能 条件 不同物体或同一物体的不同部分之间存在温度差
方向 由高温物体转移到低温物体或由物体的高温部分转移到低温部分，直至温度相同，即没有温度差
微观本质
（2）对热传递的理解
2.热量
（1）定义：在热传递过程中，传递能量的多少叫做热量,用符号 表示。
（2）单位：热量的单位与内能的单位相同，都是焦耳（J）。
热量理解的两个误区
误区1：热量是能量转移多少的量度，是一个过程量，它存在于热传递过程中，只有发生了热传递，有了能量的转移，才能讨论热量问题，离开热传递谈热量是没有意义的。误区2：因为热量是热传递过程中转移能量的多少，所以热量只能用“吸收”或“放出”来表述，而不能用“具有”或“含有”来表述，不能说“某物体具有多少热量”，只能说“吸收了多少热量”或“放出了多少热量”。
3.教材第101页、第102页活动：做功改变物体的内能
两种情况 对物体做功 物体对外界做功
探究过程与现象
两种情况 对物体做功 物体对外界做功
分析与论证 图钉的温度升高了，这是因为克服摩擦力做功使得图钉的内能增加，温度升高 迅速下压活塞，活塞对筒内的空气做功，使筒内空气的内能增加，温度升高，当温度达到硝化棉的燃点时，硝化棉迅速燃烧 向瓶内打气，瓶内气压越来越大，直至冲开瓶塞。此时，瓶内的空气推动瓶塞做功，内能减少，温度降低，瓶内空气中的水蒸气液化成小水滴，形成白雾
得出结论 做功可以改变物体的内能:对物体做功，物体的温度升高，内能增加；物体对外做功，物体的温度降低，内能减少 4.热传递和做功改变物体内能的区别与联系
区别 联系
实质 方式（方法） 举例 热传递 能量的转移 高温物体放热，低温物体吸热 生活中的烧、烤、烙、炒，生产中的“淬火”等 做功和热传递都可以改变物体的内能，且效果相同。某物体的内能发生改变，可能是通过热传递改变的，也可能是通过做功改变的，或者两者都有，若不知道具体过程，则无法确定内能的改变方式
做功 其他形式的能与内能之间的相互转化 压缩体积、摩擦生热、锻打物体、弯折物体等 打气筒打气、钻木取火、来回多次弯折铁丝等 体积膨胀等 装开水的暖水瓶内的气体将瓶塞冲开等 做功、热传递改变物体内能的实质
（1）做功改变物体内能的实质是能量的转化，即内能与其他形式能量的相互转化；热传递改变物体内能的实质是能量的转移，无不同形式能量的相互转化。
（2）不是任何情况下对物体做功都能改变物体的内能。例如，用手托起物理课本，虽然人对课本做了功，但课本的内能没有增加，增加的是课本的机械能。
5.温度、热量、内能三者之间的区别与联系
温度 热量 内能
区别 概念 宏观上：表示物体的冷热程度。 微观上：反映物体中分子热运动的剧烈程度 在热传递过程中，传递能量的多少 构成物体的所有分子，其分子热运动的动能与分子势能的总和
表述 用“降低”“升高”“降低到”“升高到”“是”等表述 用“放出”“吸收”等表述 用“有”“具有”“改变”“增加”“减少”等表述
温度 热量 内能
区别 单位 摄氏度 焦耳（J） 焦耳（J）
联系 ______________________________________________________________________________________________________________________________ 物体吸收热量，内能会增加，温度不一定升高，如晶体熔化；物体放出热量，内能会减少，但物体温度不一定降低，如晶体凝固 归纳总结 一个一定 物体的温度升高（或降低）时，其内能一定增加（或减少） 温度 热量 内能
归纳总结 四个不一定 （1）一个物体的内能增加（或减少）时，其温度不一定升高（或降低），如晶体的熔化（或凝固）过程。 （2）一个物体的内能增加（或减少）时，不一定是因为吸收（或放出）热量，也可能是对物体做功（或物体对外界做功）。 （3）一个物体吸收（或放出）热量时，内能增加（或减少），其温度不一定升高（或降低），如晶体的熔化（或凝固）过程。 （4）一个物体的温度升高（或降低）时，不一定是因为吸收（或放出）热量,也可能是因为做功（对外做功），如摩擦生热（或气体膨胀） 典例2 下列属于通过做功的方式改变物体内能的是( )
①冬天，搓手会让手变暖和 ②冬天，对手哈气取暖 ③炒菜时，铁锅热得烫手 ④水蒸气把软木塞冲开时，温度会降低
D
A.①② B.②③ C.③④ D.①④
[解析]
① 搓手让手变暖和 克服摩擦做功 做功改变内能
② 哈气取暖 热气将能量传递给手 热传递改变内能
③ 铁锅被烧热 火焰将能量传递给铁锅 热传递改变内能
④ 水蒸气冲开软木塞，温度降低 水蒸气对软木塞做功，水蒸气的内能减小 做功改变内能
知识点3 比热容
1.比热容
概念 单位质量的某种物质，温度升高 所吸收的热量叫做这种物质的比热容，符号为
单位 ，读作焦每千克摄氏度
水的比热容的意义 水的比热容为4.2×103 J/（kg·℃），表示1千克的水温度升高（或降低）1 ℃吸收（或放出）的热量为4.2×103 J
正确理解比热容
（1）比热容是物质的一种特性，同种物质在相同状态下的比热容是一定的，但在不同的状态下，比热容不相同。比如水的比热容是 ，而冰的比热容是 。
（2）物质的比热容与物质的种类、状态有关，与物质的质量、温度、吸收或放出的热量无关，如一杯水与一桶水，它们的比热容相同。
2.一些常见物质的比热容
物质 比热容 物质 比热容
水 铝
酒精 干泥土 约
煤油 铁、钢
冰 铜
色拉油 水银
沙石 约 铅
3.关于水的比热容
特点 水的比热容比较大，相同质量的水和其他物质相比，在吸收或放出相同热量的情况下，水的温度变化量要小一些
现象与应用 .在同样的光照条件下，白天沿海地区比内陆地区升温慢，夜晚沿海地区的温度降低得也慢。因此一天之内内陆地区的气温变化比沿海地区大。
.水的比热容大的特点，在生产、生活中经常被利用。如汽车发动机、发电机等机器，在工作时要发热，通常用循环流动的水来冷却
典例3 关于比热容，下列说法中正确的是( )
D
A.物质的比热容跟物质吸收或放出的热量有关
B.同温度、同质量的不同物体，比热容大的物体含有的热量多
C.比热容是物质的特性，所以同种物质的比热容一定相同
D.物质的比热容与物质的吸、放热及温度和质量都没有关系
[解析] 比热容是物质的一种特性，每种物质都有自己的比热容，与物体的质量、物体的温度变化和物体吸收热量的多少均无关，但同种物质的状态不同，比热容不同，如水和冰，所以D符合题意。
知识点4 热量的计算
1.热量的计算公式（含教材第103页思考与讨论答案）
公式 吸热公式
放热公式
一般式
说明 表示物质的比热容， 表示物质的质量， 表示物体原来的温度（初温）， 表示物体吸热（或放热）后的温度（末温）， 表示物体升高的温度， 表示物体降低的温度， 表示温度的变化量 运用热量计算公式时的注意事项
（1）单位要统一：比热容 的单位是 ，质量 的单位是千克 ，温度 、 、 的单位是摄氏度 ，热量 的单位是焦耳()，计算时要注意单位的统一。
（2）区分 与 、 一定要把温度变化量 与初温 、末温 区别开来，如“升高到”“降低到”均指末温 ，而“升高了”“降低了”“升高”“降低”均指温度的变化量 。
热平衡方程
发生热传递时，若没有热量损失，则高温物体降温放出的热量都被低温物体吸收，即放出的热量和吸收的热量相等，用公式表示为 ，利用该等式建立的方程称为热平衡方程。
2.热量公式的适用范围
公式适用于物态不发生变化时物体升温（或降温）过程中吸收（或放出）热量的计算。如果过程中存在着物态变化，不能使用该公式。例如，冰熔化为水时，冰的温度（或冰水混合物的温度）没有变化，但需要从外界吸收热量，并且冰和水的比热容也不同。
典例4 将一把质量为 的钢刀加热到 ，然后使它在空气中自然冷却，此时环境温度为 。
（1）钢刀在冷却过程中是通过________的方式______（选填“增加”或“减少”）内能的。
热传递
减少
[解析] 钢刀在空气中和空气发生热传递，将能量传递给空气，自身的温度降低，内能减少。
（2）这把钢刀在冷却过程中放出了多少热量？
[答案]
[解析] 根据公式 知，这把钢刀在冷却过程中放出的热量
知识点5 热机
1.热机
概念 利用内能做功的机械。汽车、轮船和飞机等的发动机都是利用燃料燃烧时释放的内能做功的装置，都是热机
种类 蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气式发动机等
特点 通过做功把内能转化为机械能
能量转化过程
2.常见热机——内燃机
现代生活中常见的汽车并不靠水蒸气来提供汽车动力，而是利用汽油或柴油作为燃料，产生高温、高压的燃气，利用燃气做功将内能转化为机械能。
（1）定义：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机称为内燃机。
（2）分类：内燃机分为汽油机和柴油机两大类，分别用汽油和柴油作为燃料。
3.汽油机
（1）工作原理
利用汽缸内汽油燃烧时生成的高温、高压的燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。
（2）构造
①主要结构：如图所示，汽油机的主体是一个汽缸，汽缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞,腰部有活塞，活塞通过连杆与曲轴相连。
②冲程：汽油机在工作时，活塞在汽缸内往复运动，活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
（3）工作过程
①汽油机的一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成,通过四个冲程的不断循环来连续工作。
②每完成一个工作循环，曲轴和飞轮均转动两周，活塞往返两次，对外做功一次。在四个冲程中，只有做功冲程中气体对外做功，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带动活塞完成，周而复始，使汽油机能连续转动下去。汽油机的工作过程如表所示。
1.吸气冲程 __________________________________________________________________ 2.压缩冲程
___________________________________________________________
3.做功冲程 ________________________________________________________________ 4.排气冲程
________________________________________________________________
③汽油机工作过程中的能量转化情况可用下图来表示：
典例5 （2022·桐乡校级期中）关于四冲程汽油机的工作过程有以下几种说法，其中正确的是( )
①在做功冲程中，机械能转化为内能；②在做功冲程中，内能转化为机械能；③只有做功冲程是燃气对外做功；④在做功冲程中，进气门是打开的。
A
A.②③ B.①③ C.②④ D.②③④
[解析] 在做功冲程中，进气门和排气门都关闭，高温、高压燃气的内能转化为机械能，燃气对外做功，其他三个冲程均是依靠飞轮的惯性完成的，不对外做功，②③正确，故选A。
知识点6 燃料的热值
1.燃料
（1）燃料的种类
燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按物理状态分类。
（2）燃料燃烧时能量的转化
燃料在燃烧时将化学能转化为内能。
2.热值
定义 1千克某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值
单位 焦每千克，符号是 。如木炭的热值是 焦/千克
意义 反映了一定质量的不同燃料完全燃烧过程中，化学能转化为内能的本领大小
燃料燃烧放热的计算 燃料完全燃烧放出热量的计算公式为 。其中 代表燃料的质量，其单位为千克， 代表燃料的热值，其单位为焦/千克， 代表放出的热量，其单位为焦
固体燃料、液体燃料的热值以“ ”为单位，而气体燃料的热值以“ ”为单位，因此 一般用于固体、液体燃料放热的计算， 一般用于气体燃料放热的计算，其中 为气体燃料的体积。
3.对燃料热值的理解
热值是燃料的一种固有性质 热值是燃料本身的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积以及燃烧情况均无关，不能错误地认为 与 成正比，与 成反比
对完全燃烧的理解 的某种燃料，只有完全燃烧时放出的热量才在数值上等于这种燃料的热值。如果没有完全燃烧，放出的热量比按热值计算出的热量要小，但这时不能说燃料的热值变小。在实际生产、生活中，完全燃烧是很难达到的一种状态
热值的意义 燃料热值的高低是衡量燃料优劣的重要标准
（1）不是任何物质都有热值。热值是燃料的固有性质，石块、钢铁等非燃料物质都没有热值。
（2）只有燃料燃烧放热时，才能用 或 进行计算，不要将其与物体温度降低时的放热公式 混淆。
典例6 关于燃料的热值，以下说法正确的是( )
A
A.燃料的热值与燃料的种类有关，与燃料的质量和燃烧情况无关
B. 某种燃料燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值
C.燃料燃烧时，质量越大，热值越大
D.燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小
[解析] 热值在数值上等于 的某种燃料完全燃烧时所放出的热量，热值是燃料的一种固有性质，与燃料的种类有关，与燃料的质量和燃烧情况无关，故选项A正确，B、C、D均错误。值得注意的是，燃料实际燃烧放出的热量与燃料的种类、质量和燃烧情况有关，而热值与燃料的质量、燃烧情况无关。
题型 1 内能与机械能的辨析 ★★
典例7 下列关于内能和机械能的说法中，正确的是( )
B
A.物体的机械能越大，它的内能也越大
B.物体内能的大小与机械能的大小无关
C.物体的温度升高时，内能增大，机械能也增大
D.物体的运动速度减小，则机械能减小，内能也减小
[解析] 、 机械能和内能是两种不同形式的能量，两者之间没有必然的联系； 物体内能的大小与温度有关，当物体的温度升高时，内能增大，但机械能的大小与温度无关； 物体的运动速度影响物体的机械能，但不影响物体的内能。
题型 2 改变物体内能的两种方式
角度1 做功改变物体的内能 ★★★
典例8 将装有酒精的金属管固定在桌子上，用塞子塞紧管口。快速来回拉动绕在管上的绳子，使绳子不断摩擦金属管，过了一会儿塞子跳了起来，如图所示。则( )
D
A.塞子跳起前，金属管的温度升高，内能减小
B.塞子跳起前，管内气体受热膨胀，使管内压强减小
C.塞子跳起时，管内气体的温度升高，内能增加
D.塞子跳起时，管内气体的一部分内能转化为塞子的机械能
[解析] 塞子跳起前，在拉动绳子的过程中，绳子对金属管做功，金属管的温度升高，内能增加，管内气体受热膨胀，使管内压强增大；塞子跳起时，管内气体对塞子做功，管内气体的一部分内能转化为塞子的机械能，其内能减小，温度降低。
角度2 热传递改变物体的内能 ★★
典例9 在如图所示的现象中，属于用热传递的方式改变物体内能的是( )
D
A.钻木取火
B.锯木头时锯片发热
C.空气被压缩
D.烧水
[解析] 钻木取火 克服摩擦力做功 木头的内能增加； 用锯片锯木头 克服摩擦力做功 锯片与木头的内能增加； 活塞压缩空气 对筒内的空气做功 空气的内能增加； 烧水 能量从火传递给水壶和水 水壶和水的内能增加。
角度3 综合说理题 ★★★
典例10 （2023·临海期末）科学课上老师表演了“跳舞的瓶盖”实验。操作过程如下：取一个空矿泉水瓶，将其瓶盖倒置沾水后放于瓶口，双手快速摩擦后捂住瓶身，瓶盖跳起。请运用所学知识解释瓶盖跳起的原因。
[答案] 将瓶盖倒置沾水后放于瓶口起到密封作用。双手快速摩擦，克服摩擦力做功（机械能转化为内能），手的内能增大，温度升高。手捂住瓶身后与矿泉水瓶发生热传递，矿泉水瓶及瓶内气体的内能增加，温度升高。瓶内气体受热膨胀（气压增大），气体对瓶盖做功（气体的内能转化为瓶盖的机械能），瓶盖跳起。
题型 3 比热容
角度1 对比热容的理解 ★★
典例11 下列关于比热容的说法错误的是( )
D
A.水的比热容是 ，表明 的水的温度升高 ，吸收的热量是
B.比热容与物质的状态有关
C.不同的物质，比热容一般不同
D.物体的质量越大，比热容越小
角度2 比热容图像 ★★★★
典例12 如图甲所示，规格相同的容器 、 内装了相同质量的纯净水。用不同的加热器加热，忽略散热，得到了图乙所示的水温与加热时间的关系图像，则 ( )
D
A. 中温度计示数为
B.加热相同时间，两杯水吸收的热量相同
C.吸收相同的热量， 杯中的水升温比 杯的多
D. 杯中的水加热 与 杯中的水加热 吸收的热量相同
[解析] 杯中温度计示数为 ； 、 两杯中纯净水的质量相同，初温也相同，加热相同的时间后， 大于 ，根据公式 可知， 杯中纯净水吸收的热量大于 杯中纯净水吸收的热量； 由于 、 两杯中都是纯净水，比热容 和质量 都相同，根据公式 知，当吸收的热量相同时， 、 两杯中的水升高的温度 也相同； 杯中的水加热 和 杯中的水加热 升高的温度相同，因为 、 两杯中的水的比热容 和质量 都相同，根据 可知，两杯水升高相同的温度时吸收的热量相等。
题型 4 热量的计算
角度1 公式法（易错） ★★
典例13 质量为 的铁锅中有 水，要把它们从 加热到 。已知水的比热容是 ，铁的比热容是 ，求：
（1）水需要吸收的热量;
[答案]
[解析] 水吸收的热量 。
（2）铁锅需要吸收的热量;
[答案]
[解析] 铁锅吸收的热量 。
（3）铁锅和水一共需要吸收的热量。
[答案]
[解析] 铁锅和水一共需要吸收的热量 。
角度2 吸、放热公式的适用条件（易错） ★★★
典例14 在标准大气压下， 、初温为 的水吸收 的热量后，它的末温为_____ 。［已知水的比热容
100
[解析] 由 的变形式 得， 水 ，但在标准大气压下,水温达到 后水沸腾，水温不再改变，所以水的末温为 。
角度3 热平衡方程 ★★★★
典例15 为了测定铅的比热容，把质量为 的铅块加热到 ，再投入 、 的水中，最终水的温度为 。已知水的比热容是 ，若不计热量损失，求：
（1）水吸收的热量；
[解析] 由题意，已知水的质量、初温、末温和比热容，利用 可得水吸收的热量 。
[答案]
（2）铅的比热容。
[解析] 已知铅块的质量、初温和末温，因为不计热量损失，所以铅块放出的热量 ，则铅的比热容为 。
[答案]
题型 5 内燃机工作冲程的判断 ★★★
典例16 （2023·台州期末）给试管里的水加热，水沸腾后，水蒸气推动橡胶塞冲出试管口，这个过程与四冲程汽油机工作示意图中的哪一个冲程的能量转化过程是相同的( )
C
A.&2& B.&3& C.&4& D.&5&
[解析] 水沸腾后，水蒸气推动橡胶塞冲出试管口，水蒸气的内能转化为橡胶塞的机械能，与做功冲程中的能量转化相同。 两气门都关闭，活塞上行，是压缩冲程； 进气门关闭，排气门打开，活塞上行，是排气冲程； 两气门都关闭，活塞下行，是做功冲程； 进气门打开，排气门关闭，空气进入汽缸，活塞下行，是吸气冲程。
题型 6 热值及其计算
角度1 对热值的理解（易错） ★★
典例17 关于燃料和热值，以下说法正确的是( )
A
A.燃料的热值与燃料的燃烧情况无关
B.容易燃烧的燃料，热值一定大
C.煤的热值大于干木柴的热值，燃烧煤放出的热量一定比燃烧干木柴放出的热量多
D.为了提高锅炉效率，要用热值大的燃料
[解析] 、 燃料的热值与燃料的燃烧情况无关，与是否容易燃烧无关，它只与燃料的种类有关。 燃料燃烧放出热量的多少不仅与燃料的热值大小有关，还与燃料的质量以及燃烧程度有关。 锅炉的效率与自身结构、燃料是否充分燃烧有关，与燃料的热值大小没有关系。
角度2 热值的有关计算 ★★
典例18 用电加热器加热一杯水，使其温度升高 ，已知水的质量为 ，假如用热值为 的煤来加热，则需完全燃烧煤____ 。［水的比热容为 ，加热过程中无热量损失］
14
[解析] 水吸收的热量 。水吸收的热量若来自煤完全燃烧释放的热量，由 得需完全燃烧煤的质量 。

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