2020版導與練人教版選修3-3-第十章熱力學定律5-熱力學第二定律的微觀解釋6-能源和可持續(xù)發(fā)展課件

5熱力學第二定律的微觀解釋6能源和可持續(xù)發(fā)展5熱力學第二定律的微觀解釋[學習目標]1.了解有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài).2.了解熱力學第二定律的微觀意義.3.了解熵的概念,知道熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量,知道隨著條件的變化,熵也是變化的.4.了解什么是能量耗散和品質降低,了解能源與人類社會、環(huán)境的關系.[學習目標]1.了解有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài).課前預習課堂探究隨堂演練課前預習課堂探究隨堂演練課前預習

掌握新知知識梳理一、熱力學第二定律的微觀解釋1.有序和無序有序:確定了某種

,系統(tǒng)符合這個規(guī)則的就是有序的.無序:一個系統(tǒng)中,對個體的分布

確定的要求,“怎樣分布都可以”,這樣的分布是無序的.有序和無序是

的.按照某種規(guī)則,個體分布是有序的,但若按另一種規(guī)則要求,有些個體就可能是

的.無序意味著對每個個體各處都一樣、平均、沒有差別;而有序則相反.規(guī)則沒有相對無序課前預習掌握新知知識梳理一、熱力學第二定律的微觀解釋規(guī)則2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài):一個系統(tǒng)整體所處的狀態(tài)就叫做宏觀態(tài).微觀態(tài):宏觀態(tài)系統(tǒng)內部各個體的不同

狀態(tài)就叫微觀態(tài),一個“宏觀態(tài)”往往對應有多個“微觀態(tài)”,對應的“微觀態(tài)”越多,就說這個“宏觀態(tài)”無序度

.3.熱力學第二定律的微觀解釋一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的

增大的方向進行.分布越大無序性2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)分布越大無序性4.熵(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

,用字母S表示熵,有S=klnΩ,式中k叫做玻耳茲曼常量.注:既然微觀態(tài)的數(shù)目Ω是分子運動無序性的一種量度,由于Ω越大,熵S也越大,那么熵S自然也是系統(tǒng)內分子運動

的量度.(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

.二、能源和可持續(xù)發(fā)展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

,流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象.數(shù)目無序性減小內能4.熵數(shù)目無序性減小內能(2)各種形式的能量向內能的轉化,是無序程度

的狀態(tài)向無序程度

的狀態(tài)的轉化,是能夠

發(fā)生、全額發(fā)生的.(3)能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有

性.(4)能量耗散雖然不會導致能量總量的減少,卻會導致能量

的降低,它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.2.能源與環(huán)境(1)常規(guī)能源:人們把煤、

、

等化石能源叫做常規(guī)能源,人類消耗的能源主要是常規(guī)能源.較小較大自動方向品質高品質低品質石油天然氣(2)各種形式的能量向內能的轉化,是無序程度(2)新能源:主要有

能、生物質能、風能、水能、核能等.(3)環(huán)境問題:化石能源的大量消耗帶來的環(huán)境問題有

效應、酸雨、光化學煙霧等.太陽溫室(2)新能源:主要有能、生物質能、風能、水能、核科學思維1.思考判斷(1)熵越小,系統(tǒng)對應的微觀態(tài)就越少.(

)(2)在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會增加.(

)(3)大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動變?yōu)橛行蜻\動.(

)(4)能量耗散會導致總能量的減少,也會導致能量品質的降低.(

)(5)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.(

)(6)既然能量是守恒的,那么人類就沒必要節(jié)約能源.(

)√×××√×科學思維1.思考判斷(1)熵越小,系統(tǒng)對應的微觀態(tài)就越少.(2.思維探究(1)質量相同、溫度相同的水,如圖所示,分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下,它們的熵的大小有什么關系?為什么?答案:質量相同、溫度相同的水,可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉化.所以,氣態(tài)時的熵最大,其次是液態(tài),固態(tài)時的熵最小.(2)既然能量守恒,為什么還要節(jié)約能源?答案:人們在使用能源的時候,高品質的能量釋放出來并最終轉化為不大可用的低品質的內能.雖然能量不會減少,但能源會越來越少,所以要節(jié)約能源.2.思維探究(1)質量相同、溫度相同的水,如圖所示,分別處于(3)如圖所示是鍋爐工作時的外景,從節(jié)約能源和環(huán)境保護角度來看,存在的主要問題是什么?答案:由題圖中的濃煙滾滾,可以發(fā)現(xiàn)存在的主要問題有兩個:一是燃料燃燒不充分,且煙氣帶走大量的熱量,造成能量損失;二是造成大氣污染.(3)如圖所示是鍋爐工作時的外景,從節(jié)約能源和環(huán)境保護角度來要點一熱力學第二定律的微觀解釋課堂探究突破要點[探究導學]1.如圖所示,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.要點一熱力學第二定律的微觀解釋課堂探究突破要點[探究導答案: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.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12.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.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[要點歸納]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行.或者說,一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減少,這就是熵增加原理.[要點歸納]1.熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量,正如溫度反映[例1](多選)下面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,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小AD解析: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,我們知道熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律,故A正確,B,C錯誤.在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小,故D正確.[例1](多選)下面關于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的學霸筆記對熵的四點理解(1)熵的微觀意義:熵是系統(tǒng)內分子熱運動無序性的量度.(2)熵是表示一個體系自由度的物理量.熵越大,表示在這個體系下的自由度越大,可能達到的狀態(tài)越多.(3)熵不是守恒的量,在孤立體系中經過一個不可逆過程,熵總是增加的.(4)熵的本質:熵是體系微觀混亂度的量度,混亂度越大,熵值也越大.學霸筆記對熵的四點理解解析:由熱力學第二定律的微觀意義知,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.故C,D正確,A,B錯誤.(教師備用)[例1-1](多選)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.一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行CD解析:由熱力學第二定律的微觀意義知,一切自然過程總是沿著分子[針對訓練1](多選)下列關于熵的說法中正確的是(

)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)的總熵不會減小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: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)的總熵不會減小,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.ABD[針對訓練1](多選)下列關于熵的說法中正確的是(要點二能源和可持續(xù)發(fā)展[探究導學](1)能源與能量的含義相同嗎?答案:不相同.能量是守恒的,既不會增加也不會減少;能源是可以提供可利用能量的物質.(2)你知道哪些能源為不可再生能源,哪些能源為可再生能源嗎?答案:不可再生能源:煤、石油、天然氣等;可再生能源:水能、風能、生物質能、地熱能等.要點二能源和可持續(xù)發(fā)展[探究導學](1)能源與能量的含義相(3)你知道國家為何提倡節(jié)能減排嗎?答案:大量能量的使用不會使能的總量減少,卻會導致能量品質的降低,將能量從高度有用的形式降為不大可用的形式,所以要節(jié)約能源.(3)你知道國家為何提倡節(jié)能減排嗎?答案:大量能量的使用不會[要點歸納]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、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,它實際上是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.[要點歸納]1.能量耗散和品質降低②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.②對環(huán)境的危害[例2](多選)關于能源的開發(fā)和利用,下列觀點正確的是(

)A.無節(jié)制地利用能源,是一種盲目的短期行為B.根據(jù)能量守恒定律,能源是取之不盡、用之不竭的C.能源的開發(fā)和利用,必須同時加強對環(huán)境的保護D.不斷開發(fā)新能源,是緩解能源危機的主要途徑ACD解析:能源是有限的,必須合理利用能源,A正確;盡管能量守恒,但使用過程中會有能量耗散及品質降低,常規(guī)能源并不是取之不盡,用之不竭的,B錯誤;能源利用推動人類進步的同時會破壞人類生存的環(huán)境,必須加強環(huán)境保護,C正確;開發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足,D正確.[例2](多選)關于能源的開發(fā)和利用,下列觀點正確的是(學霸筆記能量與能源的區(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,能源的利用過程存在能量耗散現(xiàn)象,能量耗散使得能量品質下降即能源減少,故我們要節(jié)約能源.學霸筆記能量與能源的區(qū)別解析:盡管能量守恒,但耗散的能量無法重新收集起來并加以利用,所以能源是有限的,特別是常規(guī)能源,故A錯誤,B正確.常規(guī)能源的利用比新能源如太陽能、風能、核能的利用對環(huán)境影響大,故C正確,D錯誤.BC(教師備用)[例2-1](多選)下列關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、煤炭大解析:盡管能量守恒,但耗散的能量無法重新收集起來并加以利用,[針對訓練2](多選)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AC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正確;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錯誤;水能是可再生能源,C正確;煤、石油等存儲量是有限的,是不可再生能源,D錯誤.[針對訓練2](多選)以下說法正確的是()AC解析隨堂演練檢測效果1.(多選)關于有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài),下列說法正確的是(

)A.有序和無序是絕對的B.一個“宏觀態(tài)”可能對應著許多的“微觀態(tài)”C.一個“宏觀態(tài)”只能對應著唯一的“微觀態(tài)”D.無序意味著各處一樣、平均、沒有差別BD解析:因為無序是各處都一樣、平均、沒有差別,故D項正確;而有序和無序是相對的,故A項錯誤;一個“宏觀態(tài)”可能對應一個或多個“微觀態(tài)”,所以B項正確,C項錯誤.隨堂演練檢測效果1.(多選)關于有序和無序、宏觀態(tài)和微觀2.(多選)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