课件8张PPT。第3节 珍惜大自然 一、自然过程的方向性
【思考】
热量能否从低温物体向高温物体传递?内能能否全部转化为机械能?
提示:热量可以从低温物体向高温物体传递,但不能自发进行。内能不能全部转化为机械能。1.能量转化和转移的方向性:
(1)在大多数自发情况下,能量最终都转化为_____,说
明能量的转化具有_______。
(2)内能总是_______从高温物体向低温物体转移,而不
可能自动地、不引起任何变化地从_____物体向_____
物体转移。内能方向性自动地低温高温2.第二类永动机:从单一热源中吸热使之_________有
用功而不产生其他影响。
3.自然过程的方向性:自然界实际进行的与热现象有关
的一切宏观过程都是有_______的不可逆过程。机械能
可以_____转化为内能;反过来,内能不可能_______、
并不引起_________地完全转化为机械能。完全变成方向性完全自动地任何变化4.下列说法正确的是_____
①内能可以转化为机械能。
②能量不能创造,不能再生,能量只能进行转化和转移,
但能量间的转化和转移没有方向。
③热机的效率可以达到100%。
④第二类永动机是做不成的。①④二、熵与地球家园
【思考】
熵值越大代表越有序还是越混乱?
提示:熵值越大说明越混乱。1.定义:用来量度系统_________的物理量叫作熵。
2.熵增加:在孤立系统中,一切不可逆过程必然朝着
_______的方向进行。
3.熵增加的含义:意味着_____的能量增加,有效的能量
_____。无序程度熵增加无效减少温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 自然过程的方向性
1.方向性的认识
(1)机械能与内能转化的方向性。
机械能可以全部转化为内能,但内能不可能自动地、并不引起任何变化地全部转化为机械能。机械能转化为内能不需要专门的装置,而内能要转化为机械能必须通过热机才能实现。
(2)热传递的方向性。
①在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体向低温物体转移,但不能自发地从低温物体向高温物体转移。自然界中能量的转化和转移具有方向性。
②热量可以自动地从高温物体传递给低温物体,但不能自动地从低温物体传递给高温物体;热量要从低温物体传到高温物体,必须要通过做功的方式来进行,如电冰箱、空调制冷等。散失到周围环境中的内能不能回收再重新利用。
2.对于“自发”的认识
(1)“自发”是指不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,也就是指没有任何外界的影响或帮助。热量会从高温物体传向低温物体,这就是“自发”的方向。
(2)机械能可以全部转化为内能,这个过程是“自发”的方向,但相反的过程不可能自发地进行而不引起任何变化。
【思考·讨论】
举例说明自然界中能量的转化和转移具有怎样的方向性。 (物理观念)
提示:热量可以自动地由高温物体传递给低温物体,但不能自动地由低温物体传递给高温物体,热量要从低温物体传到高温物体,必须要通过做功进行,如冰箱,空调制冷等。散失到周围环境中的内能不能回收再重新利用。
【典例示范】
下列过程中,可能发生的是 ( )
A.某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有引起其他变化
B.打开一高压密闭容器,其内气体自发溢出后又自发溢进去,恢复原状
C.利用其他手段,使低温物体的温度更低,高温物体的温度更高
D.将两瓶不同液体互溶,然后又自发地各自分开
【解析】选C。某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有引起其他变化,这是不可能的,则A错误;能量传递具有方向性,则B、D错误;可以利用其他手段,使低温物体温度更低,高温物体的温度更高,如空调,则C正确。
【规律方法】利用能量转化与转移解题的思路方法
(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式能量之间的转化,也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。
(2)自发进行的能量转移和转化都具有方向性。
(3)热机的效率总小于100%。
(4)能量在转化与转移过程中,能量的总量保持不变,即遵循能量守恒定律。
【素养训练】
1.下列说法中不正确的有 ( )
A.热量只能自发地从高温物体传给低温物体而不能自发地从低温物体传给高温物体
B.内能不能转化为动能
C.内能不能自发地转化为动能
D.自然界中涉及热现象的宏观过程都有方向性
【解析】选B。自发热传播的条件是热量由高温物体传向低温物体,故A正确;内能在一定条件下是可以转化为机械能的,只是不能自发地转化为机械能,故B错,C正确;自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,具有方向性的,故D正确。
2.下列哪些物理过程是可逆的 ( )
A.在一绝热容器内盛有液体,通过不停地搅动使液体的温度升高
B.在一个传热的容器内盛有液体,容器放在一恒温的大水池内,不停地搅动液体,但液体的温度不变
C.用一根不可伸长的细轻绳悬挂一个小球,上端固定,把小球拉离平衡位置由静止释放(不计阻力),小球会摆动
D.在一绝热容器内,不同温度的气体进行混合
【解析】选C。在A、B、D所述的三个过程中,都涉及了热现象,即A中是通过做功使机械能转化为内能,B中是通过做功使机械能转化为内能及“热传导”,D中是“热传导”,所有过程都不可逆,对于C中的过程,只涉及动能与势能的转化,不涉及热现象,此过程是可逆的。
【补偿训练】
1.下列说法中正确的是 ( )
A.机械能全部转化为内能是不可能的
B.内能可以自动地、不引起任何变化地全部转化为机械能
C.热量不可以从低温物体传到高温物体
D.热量在一定的条件下可以从低温物体传到高温物体
【解析】选D。机械能可以完全转化为内能,而内能不可能自动地、并不引起任何变化地完全转化为机械能;热量会自发地从高温物体传到低温物体,而不会自发地从低温物体传到高温物体。自然界中,实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都具有方向性。则D正确,A、B、C错误。
2.(多选)根据能量转化和转移的方向性,下列判断正确的是 ( )
A.电流的电能不可能全部转化为内能
B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部转化为电能
C.热机中,燃气的内能不可能完全转化为机械能
D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
【解析】选B、C、D。电流的电能可全部转化为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知),而内能不可能全部转化为电能;机械能可全部转化成内能,而内能不可能全部转化成机械能;在热传导中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不能自发地从低温物体传递给高温物体。故选项B、C、D正确,A错误。
二 熵的含义
1.熵的含义:
(1)熵是反映系统无序程度的物理量,系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。
(2)在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。
2.对熵增加的理解:
熵值越大代表着越无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
【思考·讨论】
交通与工业废气及噪声对环境的污染;工业和生活垃圾、废水对环境的污染;交通拥挤和堵塞造成的道路混乱。以上现象中的熵是怎么变化的? (科学思维)
提示:熵增加。系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。
【典例示范】
(多选)对于孤立系统中发生的实际过程,下列说法中正确的是( )
A.系统的总熵只能增大,不可能减小
B.系统的总熵可能增大,可能不变,还可能减小
C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展
D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
【解析】选A、C。根据熵增加原理,一个孤立系统发生的实际过程,总熵只能增大,A正确,B错误;再根据熵的物理意义,它量度系统的无序程度,熵越大,无序程度越大,故C正确,D错误。
【规律方法】有关熵增加的解题技巧
(1)一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的,具有方向性。
(2)熵增加原理是对自然过程的一种限制。
(3)对于任何自然过程,总能量必定守恒,总熵必定增加。
【素养训练】
1.下列说法中正确的是 ( )
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的
C.如果没有外界的干扰,系统的熵总是减小的,直到减小到零为止
D.一切物理过程都不可能自发地进行
【解析】选A。一切涉及热现象的宏观过程都具有热量的损失,而热量损失具有方向性,故一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性,A项正确;不违背能量守恒与转化定律,违背熵增加原理,该物理过程也是不可能实现的,B项错误;如果没有外界的干扰,系统的熵总是增加的,C项错误;很多物理过程都可以自发地进行,如自由落体过程等,故D项错误。
2.一绝热容器被隔板分成两半,一半是真空,另一半是理想气体,若把隔板抽出,气体将进行自由膨胀,达到平衡后,则 ( )
A.温度不变,熵增加 B.温度升高,熵增加
C.温度降低,熵增加 D.温度不变,熵不变
【解析】选A。理想气体自由膨胀,温度不变,无序程度增大,熵增加。则A正确,B、C、D错误。
【补偿训练】
1.下列说法正确的是 ( )
A.一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
B.一切自然过程总是沿着分子热运动的有序性增大的方向进行
C.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵一定不会增大
D.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵可能减小
【解析】选A。功转变为热是机械能转化为内能的过程,从微观的角度看,在机械运动中,分子主要沿同一方向运动;而在热运动中,分子无规则地向各个方向运动,机械能转变为内能的过程是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程,热传导的过程也是使无序程度增大的过程。总之,一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。这是热力学第二定律的微观本质,选项A正确,B错误。因为不可逆过程总是沿着无序程度增大的方向进行,而熵是无序程度大小的量度,所以在孤立系统中,一切不可逆过程总是沿着熵增加的方向进行,这就是熵增加原理,选项C、D错误。
2.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.机械能全部变成内能是可能的
B.第二类永动机不可能制造成功的原因是能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一个物体转移到另一个物体,或从一种形式转化成另一种形式
C.热量不可能从低温物体传到高温物体
D.从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
【解析】选A、D。机械能可以完全转化为内能,摩擦生热就是个例子,A正确;所谓的第二类永动机是违背热力学第二定律的机器,但不违背能量的转化与守恒定律,B错误;采取其他措施可以把热量从低温物体传到高温物体,如空调,通过做功将热量从低温物体传到高温物体,C错误;把吸收的热量全部用来做功,但是却产生了其他影响,D正确。
【拓展例题】考查内容:对熵和熵增加原理的考查
【典例】(多选)足球运动员在比赛中摔倒造成粉碎性骨折,关于这一过程下列说法正确的是 ( )
A.此过程是一个可逆过程
B.此过程是一个不可逆过程
C.此过程中熵增加
D.此过程中熵减少
【解析】选B、C。由于完好的骨头形状确定,故完好的骨头所处的宏观态对应的微观态较少,熵小,较为有序。发生粉碎性骨折后,其所处的宏观态对应的微观态较多,熵大,较为无序,故在这一过程中熵增加,且此过程不可逆。则B、C正确,A、D错误。
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课堂检测·素养达标
1.(多选)下列叙述正确的是 ( )
A.第一类永动机可能制成
B.能量耗散过程中能量是不守恒的
C.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界
D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
【解析】选C、D。第一类永动机是指不消耗能量却可以不断对外做功的机器,违背了能量守恒定律,A错误;能量耗散过程中能量是守恒的,B错误;电冰箱在电机做功的情况下,不断把冰箱内的热量传到外界,C正确;能量耗散是自然界中的宏观过程且具有方向性,D正确。
2.下列说法正确的是 ( )
A.机械能全部变成内能是不可能的
B.从热库吸收的热量全部变成功是不可能的
C.热机是一种把内能转化为机械能的装置
D.没有任何漏气和摩擦时,热机的效率η=×100%=100%
【解析】选C。机械能可以全部转化成内能,A错误;从热库吸收的热量全部变成功也是可能的,只是会引起其他变化,B错误;热机是一种把内能转化为机械能的装置,C正确;热机工作过程中,必定要放出部分热量,热机用于做机械功的热量一定小于它从高温热库那里吸收的热量,即使没有任何漏气和摩擦时,热机的效率也不可能达到100%,D错误。
3.下列说法正确的是 ( )
A.随着科技的发展,永动机是可以制成的
B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了
C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的
D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量可以凭空产生
【解析】选C。永动机是指不消耗或少消耗能量,而可以大量对外做功的装置,这种装置违背了能量守恒定律,所以永动机是永远不可能制成的,A错误;太阳辐射大量的能量,地球只吸收了极少的一部分,使万物生长,但辐射到宇宙空间的能量也没有消失,而是转化成了别的能量,B错误;马和其他动物,包括人,要运动,必须消耗能量,C正确;所谓“全自动”手表,内部还是有能量转化装置的,一般是一个摆锤,当人戴着手表活动时,使摆锤不停摆动,给游丝弹簧补充能量,才会维持手表的运行,如果把这种手表放在桌面上静置几天,它一定会停止走动的,D错误。
4.(多选)下面关于熵的理解正确的是 ( )
A.对于任何过程,熵总是增加的
B.熵越大,就意味着系统越混乱、越分散
C.气体向真空扩散时,熵值减小
D.熵较大的宏观态就是无序程度较大的宏观态
【解析】选B、D。如果一个系统不孤立,系统的熵可能增加,也可能减小,所以A错;一个宏观态所对应的微观态数目越多,熵值就越大,也就越无序,就是系统越混乱、越分散,所以B、D都对;气体向真空扩散时,无序程度增大,所以熵值增大,所以C错。
【总结提升】
熵的五点注意
(1)熵的微观意义:熵是系统内分子热运动无序性的量度。
(2)熵是表示一个体系自由度的物理量。熵越大,表示在这个体系下的自由度越大,可能达到的状态越多。
(3)熵不是守恒的量,在孤立体系中经过一个不可逆过程,熵总是增加的。
(4)熵的本质:熵是体系微观混乱度的量度,混乱度越大,熵值也越大。
(5)一个孤立系统的自然可逆过程中,总熵不变。
情境:如图所示,质量、温度相同的酒精,分别处于气态、液态和固态三种状态下。
问题:它们的熵的大小有什么关系?为什么?
【解析】S固答案:见解析
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