2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 5、6 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展課件 新人教版選修3-3.ppt

《2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 5、6 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展課件 新人教版選修3-3.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 5、6 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展課件 新人教版選修3-3.ppt（30頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

5 6熱力學(xué)第二定律的微觀解釋能源和可持續(xù)發(fā)展 一 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1 有序 無序 只要確定了某種規(guī)則 系統(tǒng)內(nèi)的個體符合這個規(guī)則的為有序 個體分布沒有確定的要求 怎樣分布都可以 這樣的分布為無序 有序和無序是相對的 2 宏觀態(tài) 微觀態(tài) 對系統(tǒng)的狀態(tài)做出某些順序要求 我們就是規(guī)定了一個 宏觀態(tài) 系統(tǒng)在符合順序的情況下可以有不同的排列 這些不同的排列即為 微觀態(tài) 如果一個 宏觀態(tài) 對應(yīng)的 微觀態(tài) 比較多 就說這個宏觀態(tài)是比較無序的 3 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行 4 熵及熵增加原理 1 熵 表達(dá)式S kln k表示玻耳茲曼常量 表示一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目 S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)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)展閱讀教材第67 69頁第6節(jié) 能源和可持續(xù)發(fā)展 部分 知道什么是能量耗散和品質(zhì)降低 了解能源和環(huán)境問題 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 即成為更加分散因而也是無序度更大的能量 流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象 2 能量耗散雖然不會導(dǎo)致能量總量的減少 卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低 實際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級為不大可用的低品質(zhì)形式 2 能源和環(huán)境 自我檢測1 判斷正誤 對的畫 錯的畫 1 如果一個宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)比較多 說明該宏觀態(tài)是比較無序的 解析 一個宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)比較多 說明對該宏觀態(tài)要求得少 其分布是比較無序的 答案 2 熵越大 系統(tǒng)對應(yīng)的微觀態(tài)就越少 解析 熵越大 系統(tǒng)對應(yīng)的微觀態(tài)就越多 因為熵是系統(tǒng)無序性的量度 答案 3 在任何自然過程中 一個孤立系統(tǒng)的總熵不會增加 解析 由熵增加原理可得 一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小 答案 4 自發(fā)的宏觀過程總是向無序性增大的方向發(fā)展 解析 根據(jù)熵增加原理 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 即自發(fā)的宏觀過程總是向無序性增大的方向發(fā)展 答案 2 探究討論 1 質(zhì)量相等的冰和水 它們的熵相等嗎 答案 不相等 雖然分子數(shù)相同 但是液態(tài)水分子的無序程度要高于冰的 2 一個物體在粗糙的平面上滑動 最后停止 系統(tǒng)的熵如何變化 答案 由于物體受到摩擦力而停止運(yùn)動 其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能 增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運(yùn)動的程度 使得無規(guī)則運(yùn)動加強(qiáng) 也就是系統(tǒng)的無序程度增加了 所以系統(tǒng)的熵增加 3 既然能量是守恒的 我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源 答案 能量是守恒的 但能量耗散卻導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低 高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量 可見 雖然能量不會減少 但方便使用的能源會越來越少 所以要節(jié)約能源 探究一 探究二 對熱力學(xué)第二定律微觀意義的理解問題探究如圖所示 將一滴紅墨水滴入一杯清水中 紅墨水會逐漸擴(kuò)散到整杯水中 呈均勻分布狀態(tài) 這個過程中熵的變化情況怎樣 要點(diǎn)提示在這個過程中系統(tǒng)的熵增加 擴(kuò)散前 紅墨水和清水區(qū)分分明 較有序 后來 整杯水的顏色變得均勻后 打破了原來的有序分布 無序程度增大 因此 擴(kuò)散后系統(tǒng)的熵增加 知識歸納1 對熵的理解 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(nèi)分子平均動能大小一樣 系統(tǒng)越混亂 無序程度越大 這個系統(tǒng)的熵就越大 2 從微觀的角度看 熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 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 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 3 對于絕熱或孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)而言 所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程 因此 總是朝著熵增加的方向進(jìn)行 或者說 一個孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會減小 這就是熵增加原理 4 在任何自然過程中 一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小 如果過程可逆 則熵不變 如果過程不可逆 則熵增加 熵增加原理的適用對象是對于孤立系統(tǒng) 如果是非孤立系統(tǒng) 熵有可能減少 探究一 探究二 探究一 探究二 2 對熱力學(xué)第二定律微觀意義的理解 1 熱力學(xué)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(yùn)動 但是高溫物體中分子熱運(yùn)動的平均速率較大 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(yùn)動的劇烈程度會逐漸加劇 即低溫物體的溫度升高 而高溫物體分子運(yùn)動的劇烈程度會減緩 即高溫物體的溫度降低 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 而最終狀態(tài)是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(yùn)動狀態(tài)向無序運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 探究一 探究二 2 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)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(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 熵又被稱為 時間箭頭 探究一 探究二 典例剖析 例題1 多選 關(guān)于熱力學(xué)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(yùn)動能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動B 熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運(yùn)動狀態(tài)向無序運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)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(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行 思考問題 一切自然過程沿什么方向進(jìn)行 提示一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行 探究一 探究二 解析 分子熱運(yùn)動是大量分子的無規(guī)則運(yùn)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(yùn)動 根據(jù)熵增加原理 熱運(yùn)動的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動更加無序 而不是變成了無序 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(yùn)動狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 故選項C D正確 答案 CD熱力學(xué)第二定律的微觀解析一切自然過程總是沿著分子無序性增大的方向進(jìn)行 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(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行 探究一 探究二 變式訓(xùn)練1 多選 下列關(guān)于氣體在真空中的擴(kuò)散規(guī)律的敘述正確的是 A 氣體分子數(shù)越小 擴(kuò)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(shù)越大 擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C 擴(kuò)散到真空容器中的分子在整個容器中分布越均勻 其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D 氣體向真空中擴(kuò)散時 總是向著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行解析 由熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大方向進(jìn)行 和熵的概念可知 A C D正確 答案 ACD 探究一 探究二 能源和可持續(xù)發(fā)展問題探究說明下列能源利用方式中的能量轉(zhuǎn)化過程是怎樣的 1 水力發(fā)電 2 電動水泵抽水 3 柴油機(jī)牽引列車前進(jìn) 4 火箭發(fā)射人造衛(wèi)星 要點(diǎn)提示 1 水力發(fā)電是將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 2 電動水泵抽水是將電能轉(zhuǎn)化為水的機(jī)械能 3 柴油機(jī)牽引列車前進(jìn)是將柴油的化學(xué)能先轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 再轉(zhuǎn)化為列車的機(jī)械能 4 火箭發(fā)射人造衛(wèi)星是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的機(jī)械能 探究一 探究二 知識歸納1 對 能量耗散和品質(zhì)降低 的理解 1 各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 流散到周圍的環(huán)境中 分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大 它也不過只能使地球 大氣稍稍變暖一點(diǎn) 卻再也不能驅(qū)動機(jī)器做功了 2 從可被利用的價值來看 內(nèi)能較之機(jī)械能 電能等 是一種低品質(zhì)的能量 由此可知 能量耗散雖然不會導(dǎo)致能量的總量減少 卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低 實際上是將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式 3 能量耗散導(dǎo)致可利用能源減少 所以要節(jié)約能源 探究一 探究二 2 能源的分類 探究一 探究二 探究一 探究二 3 能源的開發(fā)與利用關(guān)系圖 探究一 探究二 典例剖析 例題2 多選 下列關(guān)于能量耗散的說法正確的是 A 能量耗散使能的總量減少 違背了能量守恒定律B 能量耗散是指耗散在環(huán)境中的內(nèi)能再也不能被人類利用C 各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化 是能夠自動全額發(fā)生的D 能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低解析 能量耗散是能量在轉(zhuǎn)化的過程中有一部分以內(nèi)能的形式被周圍環(huán)境吸收 遵守能量守恒定律 但使得能量品質(zhì)降低 故選項A錯誤 選項D正確 耗散的內(nèi)能無法再被利用 選項B正確 其他形式的能在一定的條件下可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但相反過程卻不能夠全額進(jìn)行 選項C正確 故選B C D 答案 BCD 探究一 探究二 能量耗散不僅遵循能量守恒定律 而且從能量的角度反映出自然界與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程具有方向性 探究一 探究二 變式訓(xùn)練2 多選 下面關(guān)于能源的說法正確的是 A 一切能源是取之不盡 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 盡管能量守恒 但耗散的內(nèi)能無法重新收集利用 所以能源是有限的 特別是常規(guī)能源 A錯誤 B正確 常規(guī)能源的利用比核能的利用對環(huán)境的影響大 C正確 D錯誤 答案 BC 1 2 3 4 5 1 已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲 乙 及對應(yīng)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 一個宏觀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)的多少標(biāo)志著宏觀態(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(jìn)行 A項正確 B C D項錯誤 答案 A 1 2 3 4 5 2 多選 下列說法正確的是 A 能量耗散 說明能量在不斷減少B 因為液體表面分子分布比內(nèi)部稀 所以表面有收縮趨勢C 某些液晶中摻入少量多色性染料后 對不同顏色的光吸收強(qiáng)度與所加電場的場強(qiáng)有關(guān)D 溫度高的物體具有的內(nèi)能一定比溫度低的物體具有的內(nèi)能多 1 2 3 4 5 解析 能量耗散是指能量的可利用率越來越低 但仍然遵守能量守恒定律 故A錯誤 液體表面層的分子間同時存在相互作用的引力與斥力 但由于分子間的距離大于分子的平衡距離r0 分子引力大于分子斥力 分子力表現(xiàn)為引力 即存在表面張力 表面張力使液體表面有收縮的趨勢 B正確 彩色液晶顯示屏是應(yīng)用液晶在不同電場中對不同顏色的光吸收強(qiáng)度不同制成的 C正確 物體的內(nèi)能與物質(zhì)的量 溫度 體積 以及物態(tài)有關(guān) 溫度高的物體具有的內(nèi)能不一定比溫度低的物體具有的內(nèi)能多 故D錯誤 答案 BC 1 2 3 4 5 3 下面關(guān)于熵的說法錯誤的是 A 熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動無序程度的量度B 在孤立系統(tǒng)中 一個自發(fā)的過程熵總是向減少的方向進(jìn)行C 熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì)是熵是增加的D 熵值越大 代表系統(tǒng)分子運(yùn)動越無序解析 熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動無序程度的量度 熵值越大 代表系統(tǒng)分子運(yùn)動越無序 A D正確 在孤立系統(tǒng)中 一個自發(fā)的過程熵總是向增加的方向進(jìn)行 B錯誤 熱力學(xué)第二定律又可表述為一切自然過程都遵守熵增加原理 其微觀實質(zhì)是熵增加 C正確 答案 B 1 2 3 4 5 4 多選 下列關(guān)于能源的說法正確的是 A 石油 天然氣都屬于新能源B 能量耗散不遵循能量守恒定律C 能量耗散會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低D 為了可持續(xù)發(fā)展 必須節(jié)約能源解析 石油 天然氣屬于常規(guī)能源 A項錯誤 能量耗散同樣遵循能量守恒定律 但能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)降低 B項錯誤 C項正確 因可用能源正在減少 故為了可持續(xù)發(fā)展 必須節(jié)約能源 D項正確 答案 CD 1 2 3 4 5 5 某市有20萬臺空調(diào)機(jī) 每臺空調(diào)機(jī)在夏季平均使用60天 每天耗電8kW h 為了節(jié)約能源 該市政府建議大家都把室內(nèi)設(shè)定溫度提高1 這樣每臺空調(diào)機(jī)每天可節(jié)省6 的電能 那么這樣做能使該市在夏季節(jié)省多少電能 已知標(biāo)準(zhǔn)燒煤的熱值是2 92 107J kg 發(fā)電廠的發(fā)電效率是30 請計算一下 這項節(jié)能建議的實現(xiàn)能為我們后輩留下多少噸標(biāo)準(zhǔn)煤 解析 設(shè)可節(jié)省的電能為E 則E 8 6 60 20 104kW h 5 76 106kW h 2 1 1013J設(shè)可為后輩留下標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量為m 則由能量守恒定律有2 92 107J kg m 30 E解得m 2 4 106kg 2 4 103t 答案 2 1 1013J2 4 103t