高二物理課件 10.5 《熱力學第二定律的微觀解釋 》（人教選修3-3）

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歡迎進入物理課堂 1 有序 無序的含義 無序 意味著各處一樣 平均 沒有差別 而有序則正好相反 2 熵的含義 有序 和 無序 是相對而言的 是從有序程度上講的 熵是宏觀態(tài)無序程度的量度 熵越高 意味著宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)數(shù)目越多 即越無序 熵越低即越有序 3 熱力學第二定律的微觀解釋高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運動 但是高溫物體中分子熱運動的平均速率要大于低溫物體 所以在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過程中 低溫物體分子運動的劇烈程度會逐漸加劇 即低溫物體的溫度升高了 而高溫物體分子運動的劇烈程度會減緩 即高溫物體的溫度降低了 所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來看 熱傳遞具有方向性 總是從高溫物體傳給低溫物體 換一種角度看 初始我們根據(jù)溫度的高低來區(qū)分兩個物體 而終了狀態(tài)兩個物體上的溫度處處相同 無法區(qū)別 我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了 同理可知 在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中 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 4 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(xiàn)象的一切宏觀的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(xiàn) 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 自然界涉及熱現(xiàn)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 典例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 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 一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行 標準解答 選C D 分子熱運動是大量分子的無規(guī)則運動 系統(tǒng)的一個宏觀過程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 而不是變成了有序 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 故選C D 規(guī)律方法 解此類題目要理解好有序和無序 確定某種規(guī)則 符合這個規(guī)則的就是有序的 不符合確定的規(guī)則和要求的分布是無序的 無序意味著各處平均沒有差別 而有序則相反 是按照某種規(guī)則排列的 有序與無序是相對的 變式訓練 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 解析 選A C 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)向更無序的狀態(tài)發(fā)展 故C正確 D錯誤 能源的分類 典例2 下列關(guān)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 解題指導 能源是有限的 無限制使用常規(guī)能源會嚴重破壞環(huán)境 標準解答 選B C 盡管能量守恒 但耗散能量無法重新收集利用 所以能源是有限的 特別是常規(guī)能源 A錯 B對 常規(guī)能源的利用比新能源核能的利用對環(huán)境影響大 C對 D錯 規(guī)律方法 能量與能源的區(qū)別 1 能量是守恒的 既不會增加也不會減少 2 能源是可以提供可利用能量的物質(zhì) 3 能量耗散 能量總量不變 但能量品質(zhì)會下降即能源減少 故我們要節(jié)約能量 變式訓練 關(guān)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(chǎn)生了 溫室效應 B 石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量 由此產(chǎn)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B C 溫室效應 的產(chǎn)生是由于石油和煤炭等燃燒時產(chǎn)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 淹沒沿海城市 海水向河流倒灌 耕地鹽堿化等 故B C選項正確 變式備選 2011 泉州高二檢測 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(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 選B D 在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程中 其他形式的能量最終會轉(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 典例3 下列關(guān)于熵的有關(guān)說法正確的是 A 熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度B 在任何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 熵值越大表示系統(tǒng)越有序 解題指導 熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量 熵越大 無序程度越大 一個孤立的系統(tǒng)熵永遠不會減小 標準解答 選A 根據(jù)熵的定義知A正確 從熵的意義上說 系統(tǒng)自發(fā)變化時總是向著熵增加的方向發(fā)展 但人為干預的過程或非獨立系統(tǒng)熵有可能減少 B錯誤 熱力學第二定律也叫熵增加原理 C錯誤 熵越大 系統(tǒng)越混亂 無序程度越大 D錯誤 故選A 一 選擇題1 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 解析 選A 從熱力學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 熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 A對 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 已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲 乙 及對應微觀態(tài)的個數(shù)分別為較少 較多 則下列關(guān)于對兩個宏觀態(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 選A 一個宏觀態(tài)對應微觀態(tài)的多少標志了宏觀態(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行 A對 B C D錯 3 下列哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生 并且不違背熱力學第二定律 A 一杯熱茶在打開杯蓋后 茶會自動變得更熱B 蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機械能C 桶中混濁的泥水在靜置一段時間后 泥沙下沉 上面的水變清 泥 水自動分離D 電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體 解析 選C D A B都違背了熱力學第二定律 都不能發(fā)生 C中系統(tǒng)的勢能減少了 D中消耗了電能 所以不違背熱力學第二定律 均能發(fā)生 4 如圖所示 兩個相通的容器P Q間裝有閥門K P中充滿氣體 Q內(nèi)為真空 整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換 打開閥門K后 P中的氣體進入Q中 最終達到平衡 則 A 氣體體積膨脹 內(nèi)能增加B 氣體分子勢能減少 內(nèi)能增加C 氣體分子勢能增加 壓強可能不變D Q中氣體不可能自發(fā)地全部退回到P中 解析 選D 據(jù)熱力學第二定律知 自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 D項正確 容器內(nèi)氣體自由膨脹 氣體與外界之間不做功也沒有熱交換 故氣體的內(nèi)能不變 A項不正確 氣體分子間作用力很弱 氣體體積變化時 氣體分子勢能可認為不變 B C項也不正確 5 水力發(fā)電站的電能最終來自于 A 太陽能B 水的動能C 水的勢能D 水的內(nèi)能 解析 選A 煤 石油 水力等能源最終來自于太陽能 是太陽能將水蒸發(fā)到高處 然后再降落到地面各處 匯成江河湖海 高處的水向低處流就具有了水能 從而用于發(fā)電 6 2011 衡陽高二檢測 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濃度增加能使地表溫度因受太陽的輻射而上升 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 大氣中二氧化碳氣體濃度的急劇增加會導致氣溫的逐步上升 使全球氣候變暖 為了減緩大氣中CO2濃度的增加 以下措施中可行且有效的是 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 解析 選B D 可行且行之有效的措施是開發(fā)新能源以便減少對常規(guī)能源的利用 減少CO2的排放 植樹造林可以吸收空氣中的CO2 所以選B D 題中A C兩項措施雖然有效 但并不可行 7 以下說法正確的是 A 熱量自發(fā)地從甲物體傳到乙物體 甲的內(nèi)能不一定比乙大B 汽油是一種清潔能源C 水能是可再生能源 所以可制造一臺利用水能的機器 效率可達100 D 煤 石油等常規(guī)能源是取之不盡 用之不竭的 解析 選A 熱量自發(fā)地從甲傳到乙 說明甲的溫度高于乙的溫度 但物體的內(nèi)能除與溫度有關(guān)外 還與物體體積及物質(zhì)的量等因素有關(guān) 甲的內(nèi)能不一定大于乙的內(nèi)能 A對 汽油燃燒會引起一些化合物的產(chǎn)生 導致有毒氣體的生成 B錯 水能雖然是可再生能源 由熱力學第二定律可知 效率不可能達到100 C錯 煤 石油等存量是有限的 是不可再生能源 D錯 8 酸雨對植物的正常生長影響很大 為了減少酸雨的影響 應采取的措施是 少用煤作燃料 燃料脫硫 在已經(jīng)酸化的土壤中加石灰 多種植美人蕉 銀杏等植物 開發(fā)新能源 多種植法國梧桐 檸檬等植物 A B C D 解析 選A 酸雨主要是由煤 石油等燃料尤其是煤燃燒所釋放的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 正確 應選A 二 非選擇題9 成語 覆水難收 指的是一盆水潑出后是不可能再回到盆中的 請從不同宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)數(shù)目不同這個角度 解釋為什么水不會自發(fā)地聚到盆中 解析 由于盆的形狀確定 水在盆中所處的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)目少 較為有序 當把水潑出后 它的形狀不受盆的限制 各種可能的形狀都有 此時所處的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)目將變得非常多 較為無序 因為自發(fā)的過程總是從有序向著無序發(fā)展 所以水不會自發(fā)地聚到盆中 答案 見解析 10 2011 東城區(qū)高二檢測 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展 汽車數(shù)量迅猛增長 汽車排放的尾氣造成的空氣污染越來越嚴重 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計 汽車尾氣排放造成的空氣污染目前已占整個污染源的一半以上 在這種情況下 目前研制開發(fā)的太陽能汽車具有更好的發(fā)展前景 如圖所示是某研究所研制的太陽能汽車 它是利用太陽能電池將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能 再利用電動機來驅(qū)動的一種新型汽車 設(shè)太陽光照射到電池板上的輻射功率為7kW 在晴朗的天氣里 太陽能電池對著太陽時產(chǎn)生的電壓為160V 并對車上的電動機提供12A的電流 請你求出 1 在這種情況下電動機消耗的電功率是多大 2 如果這輛汽車的電動機將電能最終轉(zhuǎn)化為機械能的效率為75 當汽車在水平路面上勻速行駛時 受到的牽引力為180N 則在1min內(nèi)這輛汽車行駛了多少米 解析 1 電動機消耗的電功率P UI 160V 12A 1920W 2 由P W t得W電 Pt 1920W 60s 115200J由題意W機 W電 115200J 75 86400J又由W Fs得汽車行駛的距離s W機 F 86400 180m 480m答案 1 1920W 2 480m 方法技巧 新能源問題的求解方法本題是新型能源太陽能發(fā)電的應用 考查了能量轉(zhuǎn)化的方式以及效率等問題 解決此類問題要注意認真從題目中獲取有用信息 結(jié)合學過的物理知識 理清各物理量之間的關(guān)系 利用能的轉(zhuǎn)化和守恒及效率公式可以順利解答此類題目 Thankyou 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全