2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019）必修第三册课件：6.3 珍惜大自然

第3节　珍惜大自然
新 课 程 标 准
学 业 质 量 目 标
1.知道能量转化是有方向性的。
2.认识环境污染的危害,了解科学·技术·社会·环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为。
合格性考试
1.了解自然过程及能量转化具有方向性,能在实际问题中解决相关问题。
2.了解熵的概念。
3.了解技术与社会及环境的关系。
选择性考试
1.知道能量转化的方向性,综合应用所学的物理知识解决实际问题。
2.理解熵的概念,知道熵在能量转化中的物理意义。
3.知道科学技术对社会及环境的影响,具有保护大自然环境的责任感。
一、自然过程的方向性
【思考】
冬天未安装暖气的室内,我们可以用如图所示的电暖气进行取暖,那么热量
是怎样传递的?能否反向进行?

提示:热量从较高温度的电暖气传向温度较低的房间,这个过程不可以反向进
行。
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。
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。
内能
方向性
自动地
低温
高温
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
【情境思考】
如图所示是动画片《小猪佩奇》中整理房间的片段,从熵值的角度而言,哪幅图
片的熵值大?熵值的大小代表了什么?

提示:左边的图片熵值更大一些,熵值代表了无序程度,无序程度越大,熵值越
大。
1.熵的定义:处于不同状态的物体,分子运动的_________也不一样,为了描述这
种差异,物理学中引入了熵。
2.熵的作用:熵越高,就意味着系统越_____;熵越低,就意味着系统越_____。
3.能量中熵的含义:熵增加就意味着_____能量的增加,_____能量的减少。
无序程度
无序
有序
无效
有效
【易错辨析】
(1)热传递过程具有方向性。 ( )
(2)热量可以自发地从内能大的物体转移到内能小的物体。 ( )
(3)内能可以自发地转化为机械能。 ( )
(4)第二类永动机违背了能量守恒定律。 ( )
(5)熵值越大代表着越有序。 ( )
(6)孤立系统的总熵可能增大,也可能减小。 ( )
√
×
×
×
×
×
知识点一　自然过程的方向性
1.关于方向性的理解:
(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,但内能不能全部
转化为机械能而不引起其他变化。机械能转化为内能不需要特定的装置,而内
能要转化为机械能却很复杂。

(2)热传递的方向性:内能总是自发地从高温物体向低温物体转移,而不能自发
地从低温物体向高温物体转移。
2.对于“自发”的理解:
(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。
3.热机的效率:任何热机都不可能把从高温热源吸收的热量全部用来对外做功,总要向低温热源放出一部分热量,因此热机的效率一定小于100%。
【问题探究】
夏天利用空调可以将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外,这与自然
过程的方向性存在矛盾吗?

提示:不矛盾,空调制冷的过程中消耗一定的电能,并不是自发进行的,故不违背
自然过程的方向性原理。
【典例示范】
【典例】(多选)关于自然过程的方向性,下列说法中正确的是 (　　)
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化
B.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是可以实现的
C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中,而不引起其他变化
D.不可能把热量从低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化
【解析】选A、D。热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不引起其他变化,A选项正确,B选项错误;热传递过程也具有方向性,热量能自发地从高温物体传到低温物体,但是热量要从低温物体传到高温物体,必然要引起其他变化(外界对系统做功),故C选项错误,D选项正确。
【误区警示】能量转移与转化中的几点注意事项
(1)自发进行的能量转移和转化都具有方向性。
(2)能量的转移与转化可以逆向进行,但不是自发,需要引起其他变化(外界辅助进行)。
(3)热机的效率总要小于100%。
【素养训练】
1.(多选)关于热传递的方向性,下列说法正确的是 (　　)
A.热量能自发地由高温物体传给低温物体
B.热量能自发地由低温物体传给高温物体
C.在一定条件下,热量也可以从低温物体传给高温物体
D.热量一定不可能从低温物体传给高温物体
【解析】选A、C。在有外力做功的情况下,热量可以从低温物体传给高温物体,而热量能自发地由高温物体传给低温物体,故A、C正确,B、D错误。
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。
【加固训练】
关于能量耗散,下列说法中正确的是 (　　)
A.能量耗散是指在一定条件下,能量在转化过程中总量减少了
B.能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性
C.能量耗散表明在能源的利用过程中,能量在数量上越来越少
D.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性
【解析】选D。能量耗散的过程是能量向品质低的大气内能转变的过程,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,故A、B错误;能量耗散表明在能源的利用过程中,能量在数量上虽未减少,但是在可利用的品质上降低了,故C错误;宏观自然过程自发进行时有其方向性,能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性,故D正确。
知识点二　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。
3.熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
4.熵的增加意味着无效能量的增加。
【问题探究】
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?
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】
【典例】(多选)在下列叙述中,正确的是 (　　)
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.对孤立系统而言,一个自发的过程中熵总是向减少的方向进行
C.熵值越大,表明系统内分子运动越无序
D.能量耗散说明能量在不断减小
【解析】选A、C。熵是物体内分子运动无序程度的量度,系统内分子运动越无序,熵值越大,故A、C正确;对孤立系统而言,一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行,故B错误;能量耗散是指能量的可利用率越来越低,但能量仍然是守恒的,故D错误。
【规律方法 】熵的几点注意事项
(1)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。
(2)熵不是守恒的量,在孤立系统中经过一个不可逆过程,熵总是增加的。
(3)熵改变的过程中,能量必然是守恒的。
(4)一个孤立系统的自然可逆过程中,总熵不变。
【素养训练】
1.(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明了 (　　)
A.热量能自发地从低温物体传给高温物体
B.在一定条件下,热量可以从低温物体传给高温物体
C.热量的传导过程不具有方向性
D.在自发的条件下热量的传导过程具有方向性
【解析】选B、D。一切自发过程都有方向性,如热传导,热量总是由高温物体自发地传向低温物体;又如扩散,气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散,热量可以从低温物体传向高温物体,电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体——冷冻食品传向高温物体——周围的大气。所以在回答热力学过程的方向性问题时,要区分是自发过程还是非自发过程,电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的,故B、D正确,A、C错误。
2.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。
【加固训练】
1.(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。
2.已知一个系统的两个宏观态甲、乙,及对应微观态的个数分别为较少、较多,
则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的
是(　　)
A.甲比较有序,乙比较无序,甲→乙
B.甲比较无序,乙比较有序,甲→乙
C.甲比较有序,乙比较无序,乙→甲
D.甲比较无序,乙比较有序,乙→甲
【解析】选A。一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度,从中还可以推知系统自发的方向,微观态数目越多,表示越无序,一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行,故A正确,B、C、D错误。
【拓展例题】考查内容:对热力学定律的考查
【典例】关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是(　　)
A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的
B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾
C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别
D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
【解析】选B。热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾,对于机械能和内能的转化所具有的方向性也是存在的,热力学第一定律是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现,故B正确,A、C、D错误。
【生活情境】
如图所示是济南市某社区的垃圾智能分类亭,其通过智能化、便利化的手段,用直接返现的方式,吸引居民积极参与生活垃圾分类。
探究:
(1)垃圾分类的意义有哪些?
(2)可回收垃圾如何实现节约能源?
【解析】(1)垃圾分类可以减少土地侵蚀、减少污染、变废为宝等。
(2)回收可回收垃圾可降低生产时使用的能源,以玻璃为例,利用碎玻璃再生产玻璃,可节能10%到30%。
答案:见解析
【生活情境】
近几年国家为做好生态环境治理和大气污染防治工作,打赢“蓝天保卫战”。在农村通过补贴积极推进“清洁煤”与天然气进乡村等政策。

探究:
(1)查阅资料说明清洁煤和散煤有哪些不同呢?
(2)清洁煤与天然气相比哪种燃料更加环保?
【解析】(1)清洁煤由传统煤炭经过脱硫、脱硝、除尘加工后制成,具有环保、洁净、污染排放小等特点,包括清洁型煤、无烟煤、兰煤等。相比普通煤炭,清洁煤更加易燃、起火更快、热值更高。
(2)天然气更加环保,天然气是一种洁净环保的优质能源,几乎不含硫、粉尘和其他有害物质,燃烧时产生的二氧化碳少于其他化石燃料,造成温室效应较低,因而能从根本上改善环境质量。
答案:见解析
1.(教材二次开发·P165【节练习】T1变式)(多选)下列成语包含的过程与扩散现象类似的有哪些 (　　)
A.破镜重圆 B.高山流水
C.芳香四溢 D.覆水难收
课堂检测·素养达标
【解析】选B、C、D。扩散现象是自然界中不可逆的过程,其过程中熵是增加的,破镜重圆不能自发进行,故选项B、C、D正确,A错误。
2.(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。故B、C正确,A、D错误。
【加固训练】
(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。
3.下列说法正确的是 (　　)
A.在不久的将来人们一定可以制造出永动机
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.低碳生活是一种绿色而又环保的新型生活方式,日常生活注意节电、节油、节气、节水,从点滴做起,保护环境,保护地球。下列关于能源与能量理解正确的是 (　　)
A.能量是守恒的,没有必要提倡节约能源
B.能量耗散表明自然界的能量在利用过程中正在不断地消失
C.自然界中石油、煤炭等能源取之不尽,用之不竭,只需不断开发
D.人类应积极开发与利用风能、太阳能、潮汐能等能再生的新能源
【解析】选D。在能源的利用过程中,虽然能量在数量上并未减少,但可利用率越来越小,故仍需节约能源,故A错误;能量耗散表明自然界的能量在转化的过程中可利用率越来越小,但总量不会减小,故B错误;自然界中石油、煤炭指的是亿万年前的大量生物经过地壳变化,被埋藏在地下,受地层压力和温度的影响,缓慢形成的可以燃烧的矿物质,在短时间内不能再生,是不可再生能源,故C错误;太阳能、风能是可再生能源,人类应多开发与利用,故D正确。
【加固训练】
“能源危机”是当今世界各国共同面临的问题。对此,以下措施可行的
是(　　)
A.人人都要自觉做到节约用水、节约用电,不浪费和人为毁坏物品
B.关闭现有的火力发电站
C.各地都要兴建水力和风力发电站
D.停止使用石油资源,而以核能和太阳能取代
【解析】选A。受地域环境的限制,风力、水力发电站不能在各地兴建,因而不能关闭火力发电站,故B、C错误;受技术限制,核能和太阳能尚未被大规模利用,所以也不能停止使用石油资源,故D错误;人人都要自觉做到节约用水、节约用电,不浪费和人为毁坏物品,故A正确。
5.下列说法中正确的有 (　　)
A.第二类永动机和第一类永动机一样,都违背了能量守恒定律,因此不可能制成
B.根据能量守恒定律,经过不断的技术改造,热机的效率可以达到100%
C.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能真正出现的
D.自然界中的能量是守恒的,但有的能量便于利用,有的不便于利用,因此要节约能源
【解析】选D。第一类永动机违背了热力学第一定律,第二类永动机违背了热力学第二定律,A错误;热机的效率永远小于
100%,因为要向低温热源散热,B错误;虽然能量守恒,但可利用的能量越来越少,因此要节约能源,C错误,D正确。