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

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圖1答案可能的宏觀態(tài)有：左0右4，左1右3，左

2、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)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

3、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

4、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skln_，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)的總熵不會減小這就是熵增加原理，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環(huán)境中，我們沒有辦法把這些流散的內能重新收集起來加以利用可見，內能與機械能相比，哪

5、種能量的品質低？答案內能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(xiàn)象(2)能量耗散從能量轉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，卻會導致能量品質的降低(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)能源常規(guī)能源：煤、石油、天然氣對環(huán)境的危害石油和煤燃燒產生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，產生了“溫

6、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)

7、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)轉化的過程答案cd例2下列關于熵的說法中錯誤的是()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

8、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c能量耗散說明能量不能憑空產生，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)生能量轉化的宏觀過程中，其他形式的能量最終轉化為流散到周圍環(huán)境的內能，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

9、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生，導致有毒氣體的產生，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ac1(熱力學第二定律的微觀意義)下列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

10、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，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

11、較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(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方向性答案cd解析能量耗散說明能量轉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()a用煤做燃料供熱b用石油做燃料供熱c用天然

12、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能但由于這些燃料中含有雜質以及燃燒的不充分，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機械能和內能之間的轉化是可逆的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“微觀態(tài)”比較多，就說明這個“宏觀態(tài)”是比較無序的答案d2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

13、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ac3下列說法中正確的是()a一切與熱現(xiàn)象有關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)象有關的宏觀過程都是可逆的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ab4關于熵，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“

14、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ad5下列關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道要比通向有序的渠道多很多答案abd解析熵是系統(tǒng)內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

15、正確6如圖1所示，質量、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系？為什么？圖1答案s固<s液<s氣原因見解析解析根據(jù)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(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，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)轉化，所以，氣態(tài)的酒精熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時熵最小題組二能量耗散和可持續(xù)發(fā)展7下列關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

16、b能量耗散是指散失在環(huán)境中的內能再也不能收集起來被人類利用c各種形式的能量向內能的轉化，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的降低答案bcd8下列現(xiàn)象屬于能量耗散的有()a利用水能發(fā)電轉化為電能b電能通過燈泡中的電阻絲轉化為光能c電池的化學能轉化為電能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化為內能，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

17、不能算能量耗散火爐把房子烤暖后使燃料的化學能轉化成內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上是()a能量的消失過程b能量的創(chuàng)造過程c能量的轉化和轉移過程d能量的轉化、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，前者是能量的轉化，后者是能量的轉移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

18、大，認知系統(tǒng)的總熵值越小熱機效率不可能達到百分之百雖然能量守恒但卻有能量耗散，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”，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該技術實現(xiàn)了煤的清潔利用d該技術實現(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 bc d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