第6章　第3节　珍惜大自然 课件（17张PPT）

第3节　珍惜大自然
必备知识
自我检测
一、自然过程的方向性
1.能量转化和转移的方向性
在大多数自发情况下,能量最终都转化为内能,而内能不可能自发地转化为原来的能量,这说明能量的转化具有方向性。
2.自然过程的方向性:自然界的宏观过程具有方向性,不可能自动地逆向进行。要使它们逆向进行就必须由外界对它们施加作用。如水往低处流,树叶下落等遵循能量转化具有方向性的规律。
必备知识
3.开尔文及克劳修斯的自然规律:自然界发生的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆过程。
(1)机械能可自动转化为内能,而内能不可能自动地、不引起任何变化地完全转化为内能。
(2)在热传递过程中,内能总是自动地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低温物体向高温物体转移。
4.第二类永动机
(1)概念:从单一热源中吸热使之完全变成有用功而不产生其他影响的装置。
(2)不能制成的原因:违背能量转化具有方向性的规律。
必备知识
二、熵与地球家园
1.熵的概念:描述处于不同状态的物体,分子运动状态无序程度不一样的物理量。熵越高,意味着系统越无序;熵越低,就意味着系统越有序。
2.熵增加:自然界的宏观过程最可能向着熵增加的方向进行。
3.熵增加的含义:意味着无效能量增加,有效能量的减少。
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自然过程的方向性与熵
情境探究
思考讨论:
1.让操场上的一群学生按照班级、身高来排队;
2.让已经站好队的学生解散。
对于上面的2件事,哪件事更容易完成?从物理学“熵”的角度,这说明了什么?
要点提示:完成第2件事更容易,这说明自发的宏观过程总是向着无序程度更大的方向发展。
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知识归纳
1.对方向性的认识
(1)机械能与内能转化的方向性:机械能不需要专门的装置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,必须通过热机才能实现。
(2)热传递的方向性: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;热量必须要通过做功的方式才能从低温物体向高温物体转移,如电冰箱、空调制冷等。散失在周围环境中的内能不能回收再利用。
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2.对“自发”的认识
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影响,也就是没有任何外界的影响或帮助。
3.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,系统的熵越大。
4.对熵增加的理解:自发的宏观过程总是向着无序程度更大的方向发展。
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实例引导
例题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: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,A正确,B、C、D错误。
答案:A
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变式训练如图所示,质量、温度相同的水,分别处于固态、液态和气态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系?为什么?
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解析:根据大量分子运动对系统无序程度的影响,由大量分子组成的系统自发变化时,总是向着无序程度增大的方向发展,至少无序程度不会减少。这也就是说,任何一个系统自发变化时,系统的熵要么增加,要么不变,但不会减少。质量相同、温度相同的水,可以由固态自发地向液态、气态转化,所以,气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小。
答案:气态熵最大,液态次之,固态熵最小,原因见解析
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1.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
答案:C
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2.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
答案:B
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3.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: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。
答案:C
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4.(多选)下列关于熵的说法中正确的是(　　)
A.熵值越大,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
B.熵值越小,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
C.熵值越大,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
D.熵值越小,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
解析:根据熵的意义可知,熵值越大,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高。熵值越小,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序,选项A、D正确。
答案:AD
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5.柴油机使柴油燃料在它的汽缸中燃烧,产生高温高压的气体,燃料的化学能转化为气体的内能,高温高压的气体推动活塞做功,气体的内能又转化为柴油机的机械能。燃烧相同的燃料,输出的机械能越多,表明柴油机越节能。是否节能是衡量机器性能好坏的重要指标。有经验的柴油机维修师傅,不用任何仪器,只要将手伸到柴油机排气管附近,去感觉一下尾气的温度,就能够判断出这台柴油机是否节能,真是“行家伸伸手,就知有没有”。关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系,你认为正确的是(　　)
A.尾气的温度越高,柴油机越节能
B.尾气的温度越低,柴油机越节能
C.尾气的温度高低与柴油机是否节能无关
D.以上说法均不正确
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解析:气体的内能不可能完全转化为柴油机的机械能,柴油机使柴油燃料在它的汽缸中燃烧,产生高温高压的气体,是一个高温热源;而柴油机排气管排出的尾气是一个低温热源。根据能量守恒,这两个热源之间的能量差就是转换的机械能,燃烧相同的燃料,要想输出的机械能越多,尾气的温度就要越低。故选项B正确。
答案:B