第3節(jié)珍惜大自然一、自然過程的方向性1.能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性在大多數(shù)自發(fā)情況下,能量最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能不可能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為原來的能量,這說明能量的轉(zhuǎn)化具有方向性.2.自然過程的方向性:自然界的宏觀過程具有方向性,不可能自動(dòng)地逆向進(jìn)行.要使它們逆向進(jìn)行就必須由外界對(duì)它們施加作用.如水往低處流,樹葉下落等遵循能量轉(zhuǎn)化具有方向性的規(guī)律.3.開爾文及克勞修斯的自然規(guī)律:自然界發(fā)生的與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切宏觀過程都是有方向性的不可逆過程.(1)機(jī)械能可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能不可能自動(dòng)地、不引起任何變化地完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.(2)在熱傳遞過程中,內(nèi)能總是自動(dòng)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移,而不可能自動(dòng)地、不引起任何變化地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移.4.第二類永動(dòng)機(jī)(1)概念:從單一熱源中吸熱使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其他影響的裝置.(2)不能制成的原因:違背能量轉(zhuǎn)化具有方向性的規(guī)律.二、熵與地球家園1.熵的概念:描述處于不同狀態(tài)的物體,分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無序程度不一樣的物理量.熵越高,意味著系統(tǒng)越無序;熵越低,就意味著系統(tǒng)越有序.2.熵增加:自然界的宏觀過程最可能向著熵增加的方向進(jìn)行.3.熵增加的含義:意味著無效能量增加,有效能量的減少.自然過程的方向性與熵情境探究思考討論:1.讓操場(chǎng)上的一群學(xué)生按照班級(jí)、身高來排隊(duì);2.讓已經(jīng)站好隊(duì)的學(xué)生解散.對(duì)于上面的2件事,哪件事更容易完成?從物理學(xué)“熵”的角度,這說明了什么?要點(diǎn)提示:完成第2件事更容易,這說明自發(fā)的宏觀過程總是向著無序程度更大的方向發(fā)展.知識(shí)歸納1.對(duì)方向性的認(rèn)識(shí)(1)機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性:機(jī)械能不需要專門的裝置可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能不可能自動(dòng)地、并不引起任何變化地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,必須通過熱機(jī)才能實(shí)現(xiàn).(2)熱傳遞的方向性:在熱傳遞過程中,熱量可以自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移,但不能自發(fā)地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移;熱量必須要通過做功的方式才能從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移,如電冰箱、空調(diào)制冷等.散失在周圍環(huán)境中的內(nèi)能不能回收再利用.2.對(duì)“自發(fā)”的認(rèn)識(shí)自發(fā)是指不需要任何第三者的介入、不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生影響,也就是沒有任何外界的影響或幫助.3.熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量,系統(tǒng)越混亂,無序程度越大,系統(tǒng)的熵越大.4.對(duì)熵增加的理解:自發(fā)的宏觀過程總是向著無序程度更大的方向發(fā)展.實(shí)例引導(dǎo)例題已知一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)宏觀態(tài)甲、乙及對(duì)應(yīng)微觀態(tài)的個(gè)數(shù)分別為較少、較多,則下列關(guān)于兩個(gè)宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法中正確的是(

)A.甲比較有序,乙比較無序,甲→乙B.甲比較無序,乙比較有序,甲→乙C.甲比較有序,乙比較無序,乙→甲D.甲比較無序,乙比較有序,乙→甲解析:一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)微觀態(tài)的多少標(biāo)志了宏觀態(tài)的無序程度,從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)的方向,微觀態(tài)數(shù)目越多,表示越無序,一切自然過程總沿著無序性增大的方向進(jìn)行,A正確,B、C、D錯(cuò)誤.答案:A變式訓(xùn)練如圖所示,質(zhì)量、溫度相同的水,分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下,它們的熵的大小有什么關(guān)系?為什么?解析:根據(jù)大量分子運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無序程度的影響,由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí),總是向著無序程度增大的方向發(fā)展,至少無序程度不會(huì)減少.這也就是說,任何一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí),系統(tǒng)的熵要么增加,要么不變,但不會(huì)減少.質(zhì)量相同、溫度相同的水,可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)化,所以,氣態(tài)時(shí)的熵最大,其次是液態(tài),固態(tài)時(shí)的熵最小.答案:氣態(tài)熵最大,液態(tài)次之,固態(tài)熵最小,原因見解析1.下列過程中,可能發(fā)生的是(

)A.某工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次?0kJ的熱量,全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而沒有引起其他變化B.打開一高壓密閉容器,其內(nèi)氣體自發(fā)溢出后又自發(fā)溢進(jìn)去,恢復(fù)原狀C.利用其他手段,使低溫物體的溫度更低、高溫物體的溫度更高D.將兩瓶不同液體互溶,然后又自發(fā)地各自分開答案:C2.下列說法中不正確的有(

)A.熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體而不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B.內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能C.內(nèi)能不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能D.自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都有方向性答案:B3.下列哪些物理過程是可逆的(

)A.在一絕熱容器內(nèi)盛有液體,通過不停地?cái)噭?dòng)使液體的溫度升高B.在一個(gè)傳熱的容器內(nèi)盛有液體,容器放在一恒溫的大水池內(nèi),不停地?cái)噭?dòng)液體,但液體的溫度不變C.用一根不可伸長(zhǎng)的細(xì)輕繩懸掛一個(gè)小球,上端固定,把小球拉離平衡位置由靜止釋放(不計(jì)阻力),小球會(huì)擺動(dòng)D.在一絕熱容器內(nèi),不同溫度的氣體進(jìn)行混合解析:在A、B、D所述的三個(gè)過程中,都涉及了熱現(xiàn)象,即A中是通過做功使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,B中是通過做功使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能及“熱傳導(dǎo)”,D中是“熱傳導(dǎo)”,所有過程都不可逆,對(duì)于C中的過程,只涉及動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化,不涉及熱現(xiàn)象,此過程是可逆的.答案:C4.(多選)下列關(guān)于熵的說法中正確的是(

)A.熵值越大,意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”,無序程度越高B.熵值越小,意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”,無序程度越高C.熵值越大,意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”,也就是越有序D.熵值越小,意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”,也就是越有序解析:根據(jù)熵的意義可知,熵值越大,意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”,無序程度越高.熵值越小,意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”,也就是越有序,選項(xiàng)A、D正確.答案:AD5.柴油機(jī)使柴油燃料在它的汽缸中燃燒,產(chǎn)生高溫高壓的氣體,燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能,高溫高壓的氣體推動(dòng)活塞做功,氣體的內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)的機(jī)械能.燃燒相同的燃料,輸出的機(jī)械能越多,表明柴油機(jī)越節(jié)能.是否節(jié)能是衡量機(jī)器性能好壞的重要指標(biāo).有經(jīng)驗(yàn)的柴油機(jī)維修師傅,不用任何儀器,只要將手伸到柴油機(jī)排氣管附近,去感覺一下尾氣的溫度,就能夠判斷出這臺(tái)柴油機(jī)是否節(jié)能,真是“行家伸伸手,就知有沒有”.關(guān)于尾氣的溫度跟柴油機(jī)是否節(jié)能之間的關(guān)系,你認(rèn)為正確的是(

)A.尾氣的溫度越高,柴油機(jī)越節(jié)能B.尾氣的溫度越低,柴油機(jī)越節(jié)能C.尾氣的溫度高低與柴油機(jī)是否節(jié)能無關(guān)D.以上說法均不正確解析:氣體的內(nèi)能不可能完全