2020版高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 3 宏观过程的方向性学案 教科版选修3-3

2020版高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 3 宏观过程的方向性学案 教科版选修3-3

‎3　宏观过程的方向性 ‎[学习目标]　1.了解热传递、扩散现象、机械能与内能转化等过程的方向性.2.知道具有方向性的过程称为不可逆过程．‎ 一、热传递的方向性 在无外界影响的情况下，热量只能从高温物体传向低温物体，要使热量从低温物体传向高温物体，外界必须对物体做功，即热传递具有方向性．‎ 二、扩散现象的方向性 事实表明大量分子从某一位置扩散到其他空间，在没有其他影响时，不可能再全部回到原位置，即扩散现象具有方向性．‎ 三、机械能与内能转化的方向性 ‎1．物体的内能不会自发地转化为物体的动能，即机械能与内能之间转化存在方向性．‎ ‎2．热机的效率η＝＝1－(Q1表示热机从高温热源吸收的热量，Q2表示向低温热源放出的热量，W表示对外做功)．‎ 四、其他过程的方向性 ‎1．燃烧现象、爆炸现象也具有方向性．‎ ‎2．在事件发生时，只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响(或不产生其他影响)的情况下沿相反方向发生的过程称为不可逆过程．‎ ‎[即学即用]‎ ‎1．判断下列说法的正误．‎ ‎(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．(√)‎ ‎(2)热量不会从低温物体传给高温物体．(×)‎ ‎(3)机械能可以完全转化为内能．(√)‎ ‎(4)内能不可能完全转化为机械能．(×)‎ ‎2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有________．‎ 答案　方向性 6‎ 一、热传递的方向性 ‎[导学探究]‎ ‎1．两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从低温物体传给高温物体，使高温物体的温度升高，低温物体的温度降低吗？‎ 答案　不会．‎ ‎2．热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？‎ 答案　不能．两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能．‎ ‎[知识深化]‎ ‎1．“自发地”过程就是不受外界干扰进行的自然过程．‎ ‎2．要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要有外界对其做功才能完成，例如电冰箱．‎ 例1　(多选)关于空调机，下列说法正确的是(　　)‎ A．制冷空调机工作时，热量从低温物体传到高温物体 B．制暖空调机工作时，热量从高温物体传到低温物体 C．冷暖空调机工作时，热量既可以从低温物体传到高温物体，也可以从高温物体传到低温物体 D．冷暖空调机工作时，热量只能从高温物体传到低温物体 答案　ABC 解析　空调机工作时，热量可以从低温物体传到高温物体，因为这里有外界做功．‎ 二、扩散现象的方向性 ‎[导学探究]　一滴黑墨水滴进一杯清水中，不久整杯水都均匀地变黑了，有没有这样的“逆过程”：这杯均匀黑水中的小炭粒又自发地聚集在一起，成为一滴黑墨水，而其余部分又变成清水？‎ 答案　没有．‎ ‎[知识深化]‎ ‎1．两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为一种均匀的混合气体．相反，一种均匀的混合气体绝不会自发地分开成为两种气体．‎ ‎2．气体的自由膨胀也是一种扩散现象，具有方向性．‎ 6‎ 例2　下列所述过程中，可能发生的是(　　)‎ A．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后，又自发聚集进去，恢复原状 B．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高 C．将水和酒精混合，然后它们又自动地各自分开 D．被工厂废水污染的湖水，废水自发的聚集到一处 答案　B 解析　A、C、D中的过程都是扩散现象，扩散现象具有方向性，所以逆过程不可能自发完成，故A、C、D错误．热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些其他手段可以实现，故B正确．‎ 三、机械能与内能转化的方向性及其他过程的方向性 ‎[导学探究]　在平地上滚动的足球克服摩擦力做功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时足球、地面及周围空气的温度略有上升．会不会有这样的现象：静止的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为动能，让足球又滚动起来？‎ 答案　不会．‎ ‎[知识深化]‎ ‎1．机械能和内能转化过程的方向性 ‎(1)机械能全部转化为内能的过程是可以自发进行的，而内能全部转化为机械能的过程，是不能自发进行的，要将内能全部转化为机械能，必然会引起其他影响．‎ ‎(2)热机的效率不可能达到100%.‎ ‎2．其他过程的方向性 ‎(1)燃烧过程具有方向性．‎ ‎(2)爆炸过程具有方向性．‎ 例3　(多选)用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图1所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象．关于这一现象的正确说法是(　　)‎ 图1‎ A．这一实验过程不违反能量守恒定律 B．在实验过程中，热水一定降温，冷水一定升温 C．在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能 D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能 6‎ 答案　AB 解析　整个过程中能量守恒且热现象有方向性，A、B正确；在绝热过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误．‎ ‎1．(热传递的方向性)(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．热量不可能从低温物体传给高温物体 答案　AC 解析　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，但热量只能自发地从高温物体传给低温物体．‎ ‎2．(扩散现象的方向性)用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空(如图2甲所示)．现把隔板抽出一部分，A中的气体自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是(　　)‎ 图2‎ A．自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动 B．自由膨胀前后，气体的压强不变 C．自由膨胀前后，气体的温度不变 D．容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分 答案　C 解析　隔板抽出一部分后，气体分子做无规则热运动，故A错；因容器绝热故Q＝0.又因气体自由膨胀故W＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知ΔU＝0，则气体温度不变，C正确；由pV＝常量可知p减小，故B错；由扩散现象的方向性知，气体在足够长的时间内不会全部自动回到A部分，故D错．‎ ‎3．(机械能与内能转化的方向性)我们绝不会看到一个放在水平地面上的物体，靠降低温度就可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来．其原因是(　　)‎ A．违反了能量守恒定律 6‎ B．在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能转化成内能 C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的 D．以上说法均不正确 答案　C 解析　内能可以向机械能转化，但必须通过做功来实现．‎ 一、选择题 ‎1．(多选)下列哪个过程具有方向性(　　)‎ A．热传导过程 B．机械能向内能的转化过程 C．气体的扩散过程 D．气体向真空中的膨胀 答案　ABCD 解析　这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，它们都具有方向性．‎ ‎2．以下说法正确的是(　　)‎ A．热量不仅可以从高温物体传到低温物体，也可自发地从低温物体传到高温物体 B．空调等设备就是利用了热传递的方向性 C．无论采用什么方法，都不可能把热量从低温物体传递给高温物体 D．热量能自发地传递的条件是必须存在温度差 答案　D 解析　热传递具有方向性，热量可以自发地由高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体，但不能自发地进行，故A错；空调等设备可以将热量由低温物体传到高温物体，但消耗了电能，故B、C错．‎ ‎3．关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是(　　)‎ A．将地球上所有海水的温度降低‎0.2℃‎，以放出大量的内能供人类使用 B．布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子永不停息的做无规则运动 C．打开一高压密闭容器，气体自发溢出后又自发回去，恢复原状 D．热传递具有方向性 答案　D 解析　自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、C错误；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体颗粒的运动，B错误．‎ 6‎ ‎4．汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中(　　)‎ A．汽车的机械能守恒 B．汽车的动能和势能相互转化 C．汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少 D．汽车的机械能转化为内能，汽车的总能量守恒 答案　C 解析　汽车能匀速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，机械能转化为内能，一部分内能散发出去，汽车的总能量减少．‎ ‎5．(多选)下列过程中，可能实现的是(　　)‎ A．将海水温度自动下降时释放的内能全部转变为机械能 B．利用海洋不同深度的海水温度不同来制造一种机器，把海水的内能变为机械能 C．在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高 D．静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来 答案　BC 二、非选择题 ‎6．下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？‎ ‎(1)汽缸与活塞组合中装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸间没有摩擦，使气体自由膨胀时．‎ ‎(2)上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸间摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时．‎ ‎(3)在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合．‎ ‎(4)在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它的温度升高．‎ ‎(5)一导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，可保持温度不变．‎ ‎(6)在一绝热容器内，不同温度的同种液体进行混合．‎ 答案　见解析 解析　(1)发生自由膨胀，则是不可逆过程．‎ ‎(2)有摩擦发生，也是不可逆过程．‎ ‎(3)有一定温度差的热传递是不可逆过程．‎ ‎(4)这是由功变为热，是不可逆过程．‎ ‎(5)此过程中既有“功变热”又有“热传递”，是不可逆过程．‎ ‎(6)有一定温度差的热传递是不可逆过程．‎ 6‎