高中物理 第十章 熱力學定律 課時5 熱力學第二定律的微觀解釋 課時6 能源和可持續(xù)發(fā)展學案 新人教版選修33

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1、 學案5 熱力學第二定律的微觀解釋 學案6 能源和可持續(xù)發(fā)展 [目標定位] 1.了解有序和無序是相對的，知道宏觀態(tài)與微觀態(tài)，知道宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)的數(shù)目與無序程度的關(guān)系.2.知道熵的概念，了解熵增加原理，知道它是熱力學第二定律的另一種表述.3.了解能量耗散、能源和環(huán)境． 一、熱力學第二定律的微觀意義 [問題設計] 1.如圖1所示，一個箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個氣體分子a、b、c、d，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴散，以箱子內(nèi)4個分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學第二定律說明，氣體擴散后4個分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況．

2、 圖1 答案　可能的宏觀態(tài)有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；對應的微觀態(tài)數(shù)目：1、4、6、4、1.不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能情況是左2右2，最小一種可能情況是左0右4或左4右0. 2．試著從無序的角度談談上面問題中為什么“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，能否由此得出熱力學第二定律的微觀意義？ 答案　從無序的角度看，熱力學系統(tǒng)是由大量做無序運動的分子組成的．因為任何熱力學過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化，當撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左、右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當氣體分子自由擴散后，氣體系統(tǒng)

3、就變得無序了．我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性最小．實際上，當氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當多時，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室中的現(xiàn)象．因此，氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的，綜上可知，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，這就是熱力學第二定律的微觀意義． [要點提煉] 1．正確理解宏觀態(tài)和微觀態(tài) 規(guī)定了某種規(guī)則，我們就規(guī)定了一個“宏觀態(tài)”，這個“宏觀態(tài)”可能包含一種或幾種“微觀態(tài)”，不同的“宏觀態(tài)”對應的微觀態(tài)的個數(shù)不同．如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀

4、態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的． 2．熱力學第二定律的微觀意義 我們所說的有序狀態(tài)，指的是對應著較少微觀態(tài)的宏觀態(tài)．自發(fā)的過程總是傾向于出現(xiàn)與較多微觀態(tài)對應的宏觀態(tài)，因此自發(fā)的過程總是從有序向著無序發(fā)展的． 3．熵及熵增加原理 (1)熵的概念 物理學中用字母Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)的數(shù)目，用字母S表示熵，則 S＝kln_Ω，式中k叫做玻耳茲曼常量． (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?。@就是熵增加原理，也是熱力學第二定律的另一種表述． 二、能源和可持續(xù)發(fā)展 [問題設計] 1．流動的水帶動水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和

5、擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用．可見，內(nèi)能與機械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？ 答案　內(nèi)能 2．化石能源的大量消耗會帶來哪些環(huán)境問題？ 答案　溫室效應、酸雨、光化學煙霧等． [要點提煉] 1．能量耗散和品質(zhì)降低 (1)能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)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(xiàn)象． (2)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性． (3)能量耗散雖然不會使能量的總量減少，卻會導致能量品

6、質(zhì)的降低(填“降低”或“提高”)，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大有用的形式． 2．能源和人類社會發(fā)展 (1)常規(guī)能源 ①常規(guī)能源：煤、石油、天然氣 ②對環(huán)境的危害 石油和煤燃燒產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，產(chǎn)生了“溫室效應”．排入大氣中的污染物在太陽紫外線照射下發(fā)生光化學效應，形成二次污染物“光化學煙霧”．煤燃燒時形成的二氧化硫等物質(zhì)使雨水形成“酸雨”． (2)開發(fā)新能源 新能源有太陽能、風能、核能、生物質(zhì)能等，它們的特點是：污染少、可再生、資源豐富． 一、熱力學第二定律的微觀意義 例1　關(guān)于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是(　　) A．

7、大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化的過程 D．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 解析　分子熱運動是大量分子的無規(guī)則運動，系統(tǒng)的一個宏觀狀態(tài)包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個無序的運動，根據(jù)熵增加原理，熱運動的結(jié)果只能使分子熱運動更加無序，而不是變得有序．熱傳遞的自然過程從微觀上講就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(zhuǎn)化的過程． 答案　CD 例2　下列關(guān)于熵的說法中錯誤的是(　　) A．熵

8、是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度 B．在自然過程中一個孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的 C．熱力學第二定律也叫做熵減小原理 D．熵值越大代表著越無序 解析　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，這就是熱力學第二定律的微觀意義．系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的熵值不會減小，因此熱力學第二定律又稱為熵增加原理．因此A、B、D說法正確，C說法錯誤． 答案　C 二、能量耗散和可持續(xù)發(fā)展 例3　下列對能量耗散理解正確的是(　　) 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

9、C．能量耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但可以憑空消失 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　在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程中，其他形式的能量最終轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能，無法再回收利用，這種現(xiàn)象叫能量耗散．能量耗散并不違反能量守恒定律，宇宙中的能量既沒有減少，也沒有消失，它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，B、D對． 答案　BD 例4　以下說法正確的是(　　) A．煤、石油、天然氣等燃料的最初來源可追溯到太陽能 B．汽油是一種清潔能源 C．水能是可再生能源 D．煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的 解析　煤、石油、天然氣等是動、植物轉(zhuǎn)

10、化成的，其來源可追溯到太陽能，A對；汽油燃燒會引起一些化合物的產(chǎn)生，導致有毒氣體的產(chǎn)生，B錯；水能是可再生能源，C對；煤、石油等存儲量是有限的，是不可再生能源，D錯． 答案　AC 1．(熱力學第二定律的微觀意義)下列關(guān)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)的總熵會減小 答案　A 解析　熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，A對；從熱力學

11、第二定律的微觀本質(zhì)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，B、C錯；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是熵增加的方向進行，故D錯．所以選A. 2．(熵)對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是(　　) A．系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小 B．系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小 C．系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展 D．系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展 答案　AC 解析　在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故選項A正確，B錯誤．根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的

12、狀態(tài)發(fā)展，故選項C正確，D錯誤． 3．(能量耗散)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象．所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性 答案　CD 解析　能量耗散說明能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，符合熱力學第二定律，B錯誤，D正確；能量耗散過程中，能量并沒有消失，能量仍然守恒，A錯誤，C正確． 4．(可持續(xù)發(fā)展)下列供熱方式最有利于環(huán)境保護的是(　　)

13、 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．用太陽能灶供熱 答案　D 解析　煤、石油、天然氣等燃料的利用，使人類獲得大量的內(nèi)能．但由于這些燃料中含有雜質(zhì)以及燃燒的不充分，使得廢氣中含有的粉塵、一氧化碳、二氧化硫等污染了大氣．而太陽能是一種無污染的能源，應大為推廣，故答案應選D. 題組一　熱力學第二定律的微觀意義 1．下列說法中正確的是(　　) A．機械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化是可逆的 B．氣體向真空的自由膨脹是可逆的 C．如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說明這個“宏觀態(tài)”是比較有序的 D．如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀

14、態(tài)”比較多，就說明這個“宏觀態(tài)”是比較無序的 答案　D 2．對“覆水難收”的敘述正確的是(　　) A．盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序 B．盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序 C．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序 D．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序 答案　AC 3．下列說法中正確的是(　　) A．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的 B．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 C．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏

15、觀過程都是可逆的 D．一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動有序程度增大的方向進行 答案　AB 4．關(guān)于熵，下列說法中正確的是(　　) 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 答案　AD 5．下列關(guān)于熵的觀點中正確的是(　　) A．熵越大，系統(tǒng)的無序度越大 B．對于一個不可逆的絕熱過程，其熵增大 C．氣體向真空擴散時，熵值減小 D．自然過程中熵總是增加的，是因為通向無序的渠

16、道要比通向有序的渠道多很多 答案　ABD 解析　熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，熵越大，其無序度越大，A正確．不可逆的絕熱過程，其宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會增加，不會減小，B正確．氣體向真空中擴散時，無序度增大，熵值增大，C錯誤．自然過程中，無序度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率較大，因為通向無序的渠道多，D正確． 6．如圖1所示，質(zhì)量、溫度相同的酒精，分別處于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？ 圖1 答案　S固

17、程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少．也就是說，任何一個系統(tǒng)自發(fā)變化時，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會減少．質(zhì)量相同、溫度相同的酒精，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)的酒精熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時熵最?。? 題組二　能量耗散和可持續(xù)發(fā)展 7．下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是(　　) A．能量耗散使能量的總量減少，違背了能量守恒定律 B．能量耗散是指散失在環(huán)境中的內(nèi)能再也不能收集起來被人類利用 C．各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的 D．能量耗散導致能量品質(zhì)的降低 答案　BCD 8．下列現(xiàn)象屬于能量耗散的有(　　) A．利用水能發(fā)電轉(zhuǎn)化為

18、電能 B．電能通過燈泡中的電阻絲轉(zhuǎn)化為光能 C．電池的化學能轉(zhuǎn)化為電能 D．火爐把房子烤暖 答案　D 解析　能量耗散是指其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終流散在周圍環(huán)境中無法重新收集并加以利用的現(xiàn)象，能夠重新收集并加以利用的能不能稱為能量耗散．本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等．只有當用電燈照明時的光能被墻壁吸收之后變?yōu)橹車h(huán)境的內(nèi)能，才無法重新收集并加以利用，但本題沒有指明該光能用來做什么，故不能算能量耗散．火爐把房子烤暖后使燃料的化學能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能并流散在周圍的環(huán)境中，無法重新收集并加以利用，屬于能量耗散． 9．能源利用的過程實質(zhì)上是(　　) A．能量的

19、消失過程 B．能量的創(chuàng)造過程 C．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程 D．能量的轉(zhuǎn)化、傳遞并且逐漸消失的過程 答案　C 解析　能源利用的過程是做功或熱傳遞的過程，前者是能量的轉(zhuǎn)化，后者是能量的轉(zhuǎn)移． 10．下列說法正確的是(　　) A．人的學習過程隨著知識的逐漸積累，引起認知系統(tǒng)總熵值減小 B．人的學習過程隨著知識的逐漸積累，引起認知系統(tǒng)總熵值增加 C．因為能量守恒，所以無需節(jié)約能源 D．熱機中的內(nèi)能可以全部用來做功 答案　A 解析　人學習知識積累的過程不能自發(fā)進行，而要靠人的主觀能動性，故知識積累越多，有序程度越大，認知系統(tǒng)的總熵值越?。疅釞C效率不可能達到百分之百．雖然能量守恒但卻

20、有能量耗散，故仍需節(jié)約能源． 11．煤是重要的能源和化工原料，直接燃燒既浪費資源又污染環(huán)境．最近，某企業(yè)利用“煤粉加壓氣化制備合成氣新技術(shù)”，讓煤變成合成氣(一氧化碳及氫氣總含量≥90%)，把煤“吃干榨盡”．下列有關(guān)說法中正確的是(　　) A．煤粉加壓氣化制備合成氣過程涉及化學變化和物理變化 B．煤粉加壓氣化制備合成氣過程涉及化學變化但沒有物理變化 C．該技術(shù)實現(xiàn)了煤的清潔利用 D．該技術(shù)實現(xiàn)了煤的高效利用 答案　ACD 解析　煤粉加壓汽化制備合成氣過程中既有物理變化，又有化學變化，A正確；該技術(shù)使煤得以良好利用又環(huán)保，C、D正確，故選A、C、D. 12．酸雨對植物的正常生長影

21、響很大，為了減少酸雨的影響，應采取的措施是(　　) ①少用煤作燃料　②燃料脫硫?、墼谝呀?jīng)酸化的土壤中加石灰　④多種植美人蕉、銀杏等植物　⑤開發(fā)新能源?、薅喾N植法國梧桐、檸檬等植物 A．①②④⑤ B．①②⑤⑥ C．①②③④⑤ D．①②③⑤⑥ 答案　A 解析　酸雨主要是由煤、石油等燃料燃燒所釋放的SO2和氮氧化物在降水過程中溶入雨水形成的．因而為減少酸雨的影響，少用煤作燃料和燃料脫硫是有效的方法．開發(fā)新能源也是減少煤使用量的方法，另外美人蕉和銀杏對SO2有較強的吸收能力，所以①、②、④、⑤正確，應選A. 13．CO2氣體有個“怪脾氣”，它幾乎不吸收太陽的短波輻射，大氣中CO2濃度增

22、加，能使地表溫度因受太陽輻射而上升；另外，它還有強烈吸收地面紅外熱輻射的作用，阻礙了地球周圍的熱量向外層空間的排放，使整個地球就像一個大溫室一樣．因此，大氣中CO2濃度的急劇增加已導致氣溫的逐步上升，使全球氣候變暖． (1)這種大氣中以CO2為主的氣體產(chǎn)生的效應稱為(　　) A．光熱效應 B．光電效應 C．光氣效應 D．溫室效應 (2)導致大氣中CO2濃度增加的主要原因是(　　) A．大量植物和生物物種滅絕 B．大量燃料如石油、煤炭、天然氣等的燃燒 C．人口劇增，呼出的二氧化碳增多 D．自然因素破壞了地球環(huán)境生態(tài)平衡 (3)為了減緩大氣中CO2濃度的增加，可以采取的措施有

23、(　　) A．禁止使用煤、石油和天然氣 B．開發(fā)使用核能、太陽能 C．將汽車燃料由汽油改為液化石油氣 D．植樹造林 答案　(1)D　(2)B　(3)BD 解析　大氣中CO2濃度的增加，導致了溫室效應；為了緩解這種局面，一方面要盡量少使用煤、石油等常規(guī)能源，另一方面要開發(fā)利用新能源并植樹造林改善環(huán)境． 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375