2017-2018學年高中物理 第十章 熱力學定律 第5、6節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展教學案 新人教版選修3-3

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1、 第5、6節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋　能源和可持續(xù)發(fā)展 1.熱力學第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 2．熱力學第二定律可叫做熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。 3．能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質的降低，實際上是將能量從高度有用的高品質形式降低為不大可用的低品質形式。 一、熱力學第二定律的微觀解釋 1．有序、無序 一個系統(tǒng)的個體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個體分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序。 2．宏觀態(tài)、微觀態(tài) 系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內個體

2、的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)。 3．熱力學第二定律的微觀意義 一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 4．熵及熵增加原理 (1)熵：表達式S＝kln Ω，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)的數目。S表示系統(tǒng)內分子運動無序性的量度，稱為熵。 (2)熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。 二、能源和可持續(xù)發(fā)展 1．能量耗散和品質降低 (1)能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉化為內能，成為更加分散因而也是無序度更大的能量，分散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現象。 (2)各種形式的能量向內能轉化方向是無序程度較小的狀態(tài)向無

3、序程度較大的狀態(tài)的轉化，是能自動發(fā)生、全額發(fā)生的。 (3)能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有方向性。 (4)能量耗散雖然不會導致能量總量的減少卻會導致能量品質的降低，實際上是將能量從高度有用的高品質形式降級為不大可用的低品質形式。 2．能源和環(huán)境 1．自主思考——判一判 (1)熵越小，系統(tǒng)對應的微觀態(tài)就越少。(√) (2)在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會增加。(×) (3)大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動變?yōu)橛行蜻\動。(×) (4)能量耗散會導致總能量的減少，也會導致能量品質的降低。(×) (5)熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動

4、狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉化的過程。(√) (6)既然能量是守恒的，那么人類就沒必要節(jié)約能源。(×) 2．合作探究——議一議 (1)怎樣理解一個孤立的系統(tǒng)熵不會減??？ 提示：從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律；自發(fā)的宏觀過程總是向無序性更大的方向發(fā)展。而熵較大代表著較為無序，熵小代表有序，所以一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。 (2)既然能量守恒，為什么還要節(jié)約能源？ 提示：人們在使用能源的時候，高品質的能量釋放出來并最終轉化為低品質的內能。雖然能量不會減少，但能源會越來越少，所以要節(jié)約能源。 (3)流動的水帶動水磨做功，由于磨盤之間的摩擦、磨盤和糧食之間

5、的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉變成了內能，這些內能最終流散到周圍的空氣中，我們沒有辦法把這些流散的內能重新收集起來加以利用。請思考：內能與機械能相比，哪種能量的品質低？ 提示：內能。能量的耗散雖然不會使能量減少，卻會導致能量品質的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。故內能較之機械能是一種低品質的能量。 熱力學第二定律的微觀意義 1．熱力學第二定律的微觀意義：熱力學第二定律揭示了涉及熱現象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會可逆地在相反的方向上出現。它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生。

6、自然界涉及熱現象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”。 2．熵和熵增加原理的理解 (1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個系統(tǒng)的熵越大。 (2)系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是由熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減小。 (3)任何宏觀物質系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中

7、產生或傳遞。 1．(多選)關于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是(　　) A．大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉變?yōu)橛行蜻\動 B．熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉化的過程 C．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉化的過程 D．一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行 解析：選CD　因為大量分子做無規(guī)則熱運動，因此系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是無序的運動；熱運動的結果只能使分子熱運動更加無序；熱傳遞的自然過程是自發(fā)進行的；由熱力學第二定律的微觀意義知，一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性

8、增大的方向進行。故C、D正確，A、B錯誤。 2．(多選)下面關于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是(　　) A．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 B．一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小 解析：選AD　從熱力學第二定律的微觀本質看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，我們知道熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，故A對，B、C錯。任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是朝著熵增加的

9、方向進行，故D對。 3．下列說法中正確的是(　　) A．無摩擦、無漏氣等能量損失，就能使熱機效率達到100% B．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 C．一切物理過程都具有方向性 D．由熱力學定律可推斷出某個物理過程是否能自發(fā)進行 解析：選D　對任何熱機在工作時都不可避免地要向冷凝器的周圍環(huán)境散發(fā)熱量，總有能量的損失，因此其效率無法達到100%；熱量能從低溫物體傳到高溫物體，但必須有外界的幫助；一切涉及熱現象的物量過程都具有方向性；在熱力學定律的基礎上可以導出其他過程的方向性，如氣體的擴散、氣體向真空的膨脹等。 能源開發(fā)和利用及能源的分類 1．能源開發(fā)和利用的關系圖

10、 2．能源的分類 能源分類方法 能源分類名稱 特點 舉例 按形成或轉換特點分 一次能源 自然形成，未經加工 太陽能、風能、地熱能、核能、潮汐能 二次能源 由一次能源經加工轉換而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能 按利用技術分 常規(guī)能源 已大規(guī)模正常使用 煤、石油、天然氣 新能源 正在開發(fā)，或有新的利用方式 太陽能、水能、核能、地熱能、海洋能、沼氣、風能 按可否再生分 可再生能源 可循環(huán)使用、不斷補充 水能、風能、生物質能、地熱能 不可再生能源 短期內無法轉換獲得 煤、石油、天然氣、核燃料 按對環(huán)境污染情況分 清潔能源 對環(huán)境

11、基本上沒有污染 太陽能、海洋能、風能、水能 污染能源 會嚴重污染環(huán)境 化石燃料(煤、石油、天然氣) 1．(多選)下列關于能源的說法中正確的是(　　) A．能源是取之不盡，用之不竭的 B．能源是有限的，特別是常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣等 C．大量消耗常規(guī)能源會使環(huán)境惡化，故提倡開發(fā)利用新能源 D．核能的利用對環(huán)境的影響比燃燒石油、煤炭大 解析：選BC　盡管能量守恒，但耗散的能量無法重新收集起來并加以利用，所以能源是有限的，特別是常規(guī)能源，故A錯誤，B正確。常規(guī)能源的利用比核能的利用對環(huán)境影響大，故C正確，D錯誤。 2．關于能源的開發(fā)和利用，下列觀點錯誤的是

12、(　　) A．無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為 B．根據能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的 C．能源的開發(fā)和利用，必須同時加強對環(huán)境的保護 D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機的主要途徑 解析：選B　能源是有限的，必須合理利用能源，A正確；盡管能量守恒，但使用過程中會有能量耗散及品質降低，B錯誤；能源利用推動人類進步的同時會破壞人類生存的環(huán)境，必須加強保護，C正確；開發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足，D正確。 3．(多選)下列對能量耗散的理解正確的有(　　) A．能量耗散說明能量在不斷減少 B．能量耗散遵守能量守恒定律 C．能量耗散說明能量不能憑空產生，但可

13、以憑空消失 D．能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性 解析：選BD　在發(fā)生能量轉化的宏觀過程中，其他形式的能量最終會轉化為流散到周圍環(huán)境的內能，無法再回收利用，這種現象叫能量耗散。能量耗散并不違反能量守恒定律，宇宙的能量既沒有減少，也沒有消失，它只從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，故A、C錯誤，B、D正確。 1．(多選)關于有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)，下列說法正確的是(　　) A．有序和無序是絕對的 B．一個“宏觀態(tài)”可能對應著許多的“微觀態(tài)” C．一個“宏觀態(tài)”只能對應著唯一的“微觀態(tài)” D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別 解析：選BD　因為

14、無序是各處都一樣、平均、沒有差別，故D項正確；而有序和無序是相對的，故A項錯誤；而一個“宏觀態(tài)”可能對應一個或多個“微觀態(tài)”，所以B項正確，C項錯誤。 2．(多選)關于“溫室效應”，下列說法正確的是(　　) A．太陽能源源不斷地輻射到地球上，由此產生了“溫室效應” B．石油和煤炭燃燒時產生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，由此產生了“溫室效應” C．“溫室效應”使得地面氣溫上升、兩極冰雪融化 D．“溫室效應”使得土壤酸化 解析：選BC　“溫室效應”的產生是由于石油和煤炭燃燒時產生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量。它的危害是使地面氣溫上升、兩極冰雪融化、海平面上升、淹沒沿海城

15、市、海水向河流倒灌、耕地鹽堿化等，故B、C選項正確。 3．下列關于熵的有關說法錯誤的是(　　) A．熵是系統(tǒng)內分子運動無序性的量度 B．在自然過程中熵總是增加的 C．熱力學第二定律也叫做熵減小原理 D．熵值越大代表越無序 解析：選C　根據熵增加原理，不可逆過程總是朝著熵增大的方向進行，故C錯。 4．下列供熱方式最有利于環(huán)境保護的是(　　) A．用煤做燃料供熱 B．用石油做燃料供熱 C．用天然氣或煤氣做燃料供熱 D．用太陽能供熱 解析：選D　煤、石油、天然氣、煤氣均為常規(guī)能源(化石能源)，大量使用會產生二氧化碳，加重“溫室效應”，并且燃料燃燒釋放的氣體中含有有毒有害氣體，

16、污染環(huán)境。而太陽能是一種清潔能源，對環(huán)境影響小。故D對。 5．若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關于氣泡中的氣體，下列說法正確的是(　　) A．氣體分子間的作用力增大 B．氣體分子的平均速率增大 C．氣體分子的平均動能減小 D．氣體組成的系統(tǒng)的熵增加 解析：選D　氣體分子之間的距離很遠，分子間的作用力可以認為為零，A項錯誤；由于溫度是分子熱運動的平均動能的標志，溫度不變，氣體分子熱運動的平均動能就不變，氣體分子熱運動的平均速率就不變，B、C項錯誤；自發(fā)的自然過程中，熵值是增加的，D項正確。 6．(多選)熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象。所謂能量耗散

17、是指在能量轉化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列關于能量耗散的說法中正確的是(　　) A．能量耗散說明能量不守恒 B．能量耗散不符合熱力學第二定律 C．能量耗散過程中能量仍守恒 D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性 解析：選CD　能量耗散過程能量仍守恒，但可利用的能源越來越少，這說明自然界中的宏觀過程具有方向性，恰恰說明符合熱力學第二定律，故C、D對。 7．(多選)關于氣體向真空中擴散的規(guī)律的敘述中正確的是(　　) A．氣體分子數越少，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 B．氣體分子數越多，擴散到真空中的分子全部回到

18、原狀態(tài)的可能性越大 C．擴散到真空中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數目越大 D．氣體向真空中擴散時，總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行 解析：選ACD　氣體分子向真空中擴散中時，分子數越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確B錯誤。擴散到真空中的分子在整個容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最強，C、D正確。 8.質量一定的某種物質，在壓強不變的條件下，由液體Ⅰ與氣態(tài)Ⅲ(可看成理想氣體)變化過程中溫度(T)隨加熱時間(t)變化關系如圖1

19、所示。單位時間所吸收的熱量可看成不變。 圖1 (1)以下說法正確的是________。 A．在區(qū)間Ⅱ，物質的內能不變 B．在區(qū)間Ⅲ，分子間的勢能不變 C．從區(qū)間Ⅰ到區(qū)間Ⅲ，物質的熵增加 D．在區(qū)間Ⅰ，物質分子熱運動的平均動能隨著時間的增加而增大 (2)在區(qū)間Ⅲ，若將壓強不變的條件改為體積不變，則溫度升高________(選填“變快”“變慢”或“快慢不變”)，請說明理由。 解析：(1)區(qū)間Ⅱ是汽化過程，要吸收熱量，內能增加，A錯誤；區(qū)間Ⅲ看成理想氣體，無分子勢能，B正確；從區(qū)間Ⅰ到區(qū)間Ⅲ是不可逆過程，分子無序性增加，熵增加，C正確；在區(qū)間Ⅰ，隨時間增加，物質溫度升高，分子熱運

20、動的平均動能增大，D正確。 (2)根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，理想氣體的狀態(tài)方程＝C可知，在吸收相同的熱量Q時，壓強不變的條件下，V增加，W＜0，ΔU1＝Q－|W|； 體積不變的條件下，W＝0，ΔU2＝Q； 所以ΔU1＜ΔU2，體積不變的條件下溫度升高變快。 答案：(1)BCD　(2)變快　理由見解析 9．瀑布從20 m高處以103 m3/s的流量豎直落下，流進底部的水輪機后再以2 m/s的速度流出，水輪機再帶動發(fā)電機發(fā)電。如果水的機械能轉化為電能的效率是80%，那么發(fā)電機發(fā)出的電功率有多大？(瀑布在山頂的速度可忽略不計，g取10 m/s2) 解析：設t時間內流下的水的質量為m，以m為研究對象，豎直下落后減少的機械能為mgh－mv2 轉化為電能的功率為 P＝＝＝(gh－)×0.8＝103×103×(10×20－×22)×0.8 W≈1.58×108 W＝1.58×105 kW。 答案：1.58×105 kW 8