2018-2019學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第5、6節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展課后課時(shí)精練 新人教版選修3-3.doc

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第5、6節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展 [對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練] 考點(diǎn)1 對(duì)有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)的理解 1．(多選)下列過程中不可逆的是(　　) A．錘子打鐵，鐵發(fā)熱 B．傳熱的容器內(nèi)盛有液體，容器放在恒溫的大水池內(nèi)，不停地?cái)噭?dòng)液體，可保持溫度不變 C．在一絕熱容器內(nèi)，不同溫度的液體混合 D．在一絕熱容器內(nèi)，不同溫度的氦氣進(jìn)行混合 答案　ABCD 解析　功變熱是不可逆過程，故A符合題意。B中過程既有功變熱，又有熱傳導(dǎo)，是不可逆過程，故B符合題意。C中液體擴(kuò)散是不可逆過程，故C符合題意。D中具有一定溫度的熱傳導(dǎo)也是不可逆的，故D也符合題意。 2．如圖所示，氣體自由膨脹的不可逆性可以用概率來說明，a、b、c三個(gè)分子在A、B兩室的分配情況如下表： A室 abc ab bc ac c a b 0 B室 0 c a b ab bc ca abc 則：(1)a分子出現(xiàn)在A室的概率為________。 (2)a、b、c三分子全部回到A室的概率為________。 (3)若有N個(gè)分子，則N個(gè)分子全部自動(dòng)回到A室的概率為________。 答案　(1)　(2)　(3) 解析　a分子在自由運(yùn)動(dòng)后，在A室、B室的概率分別為，b分子在A室、B室的概率分別為，c分子在A室、B室的概率分別為，則a、b、c三分子都在A室的概率為＝。假設(shè)有N個(gè)分子，則全部在A室的概率為。 考點(diǎn)2 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 3.在一定速度下發(fā)生變化的孤立系統(tǒng)，其總熵的變化情況是(　　) A．不變 B．可能增大或減小 C．總是增大 D．總是減小 答案　C 解析　一切孤立系統(tǒng)總向著總熵增大的方向發(fā)展。 (1)由熵的定義可知，熵較大的宏觀狀態(tài)就是無序程度較大的宏觀狀態(tài)，也就是出現(xiàn)概率較大的宏觀狀態(tài)。在自然過程中熵總是增加的，其原因并非因?yàn)橛行蚴遣豢赡艿?，而是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多，把事情搞得亂糟糟的方式要比把事情做得整整齊齊的方式多得多。 (2)從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。 4．(多選)下列關(guān)于熵的觀點(diǎn)中正確的是(　　) A．熵越大，系統(tǒng)的無序程度越大 B．對(duì)于一個(gè)不可逆絕熱過程，其熵不會(huì)減小 C．氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，熵值減小 D．自然過程中熵總是增加，因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多 答案　ABD 解析　熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度，熵越大，其無序程度越大，A正確。不可逆絕熱過程，其宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會(huì)增加，不會(huì)減小，B正確。氣體向真空中擴(kuò)散，無序程度增大，熵值增大，C錯(cuò)誤。自然過程中，無序程度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)概率較大，因而通向無序的渠道多，D正確。 5．熱力學(xué)第二定律的開爾文表述指出：內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化具有方向性。請(qǐng)結(jié)合熵的變化加以解釋。 答案　見解析 解析　機(jī)械運(yùn)動(dòng)是宏觀情況下物體在空間位置上的變化，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化完全遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律所反映的因果關(guān)系，這是一種有序的運(yùn)動(dòng)。熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀狀態(tài)包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一種無序的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)向熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，屬于從有序向無序的轉(zhuǎn)化，會(huì)導(dǎo)致熵的增加，符合熱力學(xué)規(guī)律，因此機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。反之，熱運(yùn)動(dòng)向機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化屬于從無序向有序的轉(zhuǎn)化，即從高熵向低熵轉(zhuǎn)化，不符合熵增加原理，因此內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化不能全部實(shí)現(xiàn)。 6．成語“覆水難收”指一盆水潑出后是不可能再回到盆中的。請(qǐng)結(jié)合熵的變化解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中？ 答案　見解析 解析　由于盆的形狀確定，水在盆中時(shí)，空間位置和所占據(jù)的空間體積一定，顯得“有序”“整齊”和“集中”，系統(tǒng)的熵低。當(dāng)把水潑出后，它的形狀不再受盆的限制，各種可能的形狀都有，占據(jù)的空間體積和所處的位置都有多種可能。顯得“無序”“混亂”“分散”。系統(tǒng)的熵高。水潑出的過程屬于從有序向無序的轉(zhuǎn)化過程。導(dǎo)致熵的增加，符合熵增加原理。反之，水聚到盆中的過程，屬于從無序向有序的轉(zhuǎn)化。即從高熵向低熵轉(zhuǎn)化，不符合熵增加原理。因此水不能自發(fā)地聚到盆中。 考點(diǎn)3 能源的開發(fā)和利用 7.(多選)關(guān)于能源的利用，下列說法中正確的是(　　) A．由于我國煤和石油的儲(chǔ)量十分豐富，所以太陽能的開發(fā)在我國并不十分重要 B．能源的利用過程，實(shí)質(zhì)上是能的轉(zhuǎn)化和傳遞的過程 C．現(xiàn)在人類社會(huì)使用的能源主要是煤、石油和天然氣 D．煤、石油和天然氣的化學(xué)能歸根到底來自太陽能 答案　BCD 解析　目前人類使用的能源主要的仍是煤、石油和天然氣。燃料燃燒時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能又可轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和電能。人類在生產(chǎn)和生活中需要各種形式的能，我們可以根據(jù)需要把能源的能量轉(zhuǎn)化成各種形式的能，以供利用。所以，能源的利用過程實(shí)質(zhì)上是能的轉(zhuǎn)化和傳遞的過程。我國的煤和石油盡管儲(chǔ)量豐富，但終究有限，且利用后不能再生，終有用完的日子，所以開發(fā)和利用新能源，特別是核能和太陽能，是解決能源問題的出路。因此在這四個(gè)說法中，錯(cuò)誤的是A，B、C、D正確。 8．關(guān)于開發(fā)能源和節(jié)約能源，你認(rèn)為以下觀點(diǎn)錯(cuò)誤的是(　　) A．能源是有限的，無節(jié)制地利用常規(guī)能源，如石油之類，是一種盲目的短期行為 B．根據(jù)能量守恒定律，擔(dān)心能源枯竭實(shí)在是一種杞人憂天的表現(xiàn) C．能源的開發(fā)利用，必須同時(shí)考慮對(duì)環(huán)境的影響 D．利用核能是目前開發(fā)新能源的一種有效的途徑 答案　B 解析　能量雖然守恒，但在利用其過程中，其形式在不斷向低品質(zhì)轉(zhuǎn)化，可見能源是有限的。在利用能源的同時(shí)，還應(yīng)注意保持與環(huán)境的平衡，應(yīng)選B。 9．熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散現(xiàn)象。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(xué)第二定律 C．能量耗散過程中能量仍守恒，只是能量的轉(zhuǎn)化有方向性 D．待科技發(fā)達(dá)到一定程度時(shí)可消除能量耗散現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)第二類永動(dòng)機(jī) 答案　C 解析　能量耗散仍遵守能量守恒定律，反映了自然界宏觀過程具有方向性，無法消除，應(yīng)選C。 [綜合訓(xùn)練] 10．質(zhì)量一定的某種物質(zhì)，在壓強(qiáng)不變的條件下，由液態(tài)Ⅰ到氣態(tài)Ⅲ(可看成理想氣體)變化過程中溫度(T)隨加熱時(shí)間(t)變化關(guān)系如圖所示。單位時(shí)間所吸收的熱量可看作不變。 (1)(多選)以下說法正確的是________。 A．在區(qū)間Ⅱ，物質(zhì)的內(nèi)能不變 B．在區(qū)間Ⅲ，分子間的勢(shì)能不變 C．從區(qū)間Ⅰ到區(qū)間Ⅲ，物質(zhì)的熵增加 D．在區(qū)間Ⅰ，物質(zhì)分子的平均動(dòng)能隨著時(shí)間的增加而增大 (2)在區(qū)間Ⅲ，若將壓強(qiáng)不變的條件改為體積不變，則溫度升高_(dá)_______(填“變快”“變慢”或“快慢不變”)。請(qǐng)說明理由。 答案　(1)BCD　(2)變快 根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W和理想氣體的狀態(tài)方程 ＝C可知，在吸收相同的熱量Q時(shí)，壓強(qiáng)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，體積不變的情況下溫度升高變快。 解析　(1)物質(zhì)的內(nèi)能是分子總動(dòng)能與分子總勢(shì)能之和，在區(qū)間Ⅱ，溫度不變，分子平均動(dòng)能不變，吸收的熱量用來增加分子間勢(shì)能，物質(zhì)的內(nèi)能增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；理想氣體分子間作用力為零，不考慮分子勢(shì)能，選項(xiàng)B正確；從區(qū)間Ⅰ到區(qū)間Ⅲ，分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，熵增加，選項(xiàng)C正確；溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，選項(xiàng)D正確。 (2)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W和理想氣體的狀態(tài)方程＝C可知，在吸收相同的熱量Q時(shí)，壓強(qiáng)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，體積不變的情況下溫度升高變快。 11．能源問題是當(dāng)前的熱門話題，傳統(tǒng)的能源——煤和石油，一方面儲(chǔ)量有限，有朝一日將要被開采完畢，另一方面，使用過程中也帶來了污染，尋找新的、無污染的能源是人們努力的方向，利用潮汐發(fā)電即是一例。 關(guān)于潮汐，古人說：“潮者，據(jù)朝來也；汐者，言夕至也?！比鐖D是利用潮汐發(fā)電的示意圖，左方為陸地和海灣，中間為大壩；其下有通道，水經(jīng)通道可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，漲潮時(shí)，水進(jìn)入海灣，待內(nèi)外水面高度相同，堵住通道(如圖甲)；潮退至最低點(diǎn)時(shí)放水發(fā)電(如圖乙)；待內(nèi)外水面高度相同；再堵住通道，直至下次漲潮至最高點(diǎn)，又放水發(fā)電(如圖丙)。設(shè)海灣面積為5.0107 m2，高潮與低潮間高度差3.0 m，則一天內(nèi)水流的平均功率為________MW。 (注：實(shí)際上由于各種損失，發(fā)電功率僅為水流的平均功率的10%～25%，例如法國蘭斯河潮汐發(fā)電站水勢(shì)能釋放平均功率240 MW，而發(fā)電功率僅為62 MW) 答案　100 解析　潮汐發(fā)電其實(shí)就是將海水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。每次漲潮時(shí)流進(jìn)海灣(落潮時(shí)流出海灣)的海水的重力為 Mg＝ρVg＝1.01035.0107310 N＝1.51012 N，其重心的高度變化為：h＝1.5 m， 一天內(nèi)海水兩進(jìn)兩出，故水流功率為： P＝＝ W≈1.0108 W，即P≈100 MW。