2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律第5節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋第6節(jié)能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案新人教版選修3-3

PAGE1-第5節(jié)熱力學(xué)其次定律的微觀說明第6節(jié)能源和可持續(xù)發(fā)展1.理解有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念．2.理解熱力學(xué)其次定律的微觀意義，了解熵的概念及用熵的概念表示的熱力學(xué)其次定律．3.了解什么是能量耗散和品質(zhì)降低，相識能源和環(huán)境與人類生存的關(guān)系，知道可持續(xù)發(fā)展的重大意義，增加愛護(hù)環(huán)境的意識．一、熱力學(xué)其次定律的微觀說明1．有序、無序：一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種規(guī)則，有依次地排列即有序；個(gè)體分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序．2．宏觀態(tài)、微觀態(tài)：系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)．3．熱力學(xué)其次定律的微觀意義：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__Ω，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(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(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會減?。?1)熵值越大代表著越有序．()(2)一個(gè)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，則熵越大．()(3)孤立系統(tǒng)的總熵可能增大，也可能減?。?)提示：(1)×(2)√(3)×二、能源和可持續(xù)發(fā)展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，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)各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的．(3)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變更過程具有方向性．(4)能量耗散雖然不會導(dǎo)致能量總量的削減卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，事實(shí)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)境既然能量是守恒的，我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源？提示：能量是守恒的，但能量耗散卻導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，在利用它們的時(shí)候，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．熱力學(xué)其次定律的微觀意義1．熱力學(xué)其次定律的微觀說明(1)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(yùn)動的猛烈程度會漸漸加劇，即低溫物體的溫度上升了，而高溫物體分子運(yùn)動的猛烈程度會減緩，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.(2)換一種角度看，初始狀態(tài)我們依據(jù)溫度的凹凸來區(qū)分兩個(gè)物體，而終了狀態(tài)兩個(gè)物體上的溫度到處相同，無法區(qū)分，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了．(3)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．2．熱力學(xué)其次定律的微觀意義：熱力學(xué)其次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(gè)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，哪些不行能發(fā)生．關(guān)于熱力學(xué)其次定律的微觀意義，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．傳熱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．傳熱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)動無序性減小的方向進(jìn)行[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(gè)宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無序的運(yùn)動，依據(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，而不是變成了有序，傳熱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C．[答案]Ceq\a\vs4\al()(1)一切自發(fā)過程都是不行逆的，總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)化發(fā)展的過程，即無序性增加的過程．(2)傳熱過程是大量分子由無序程度小的運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化為無序程度大的運(yùn)動狀態(tài)的過程，體現(xiàn)了熱傳遞的方向性．1.(多選)關(guān)于氣體向真空中擴(kuò)散的規(guī)律的敘述中正確的是()A．氣體分子數(shù)越少，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)越多，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．?dāng)U散到真空中的分子在整個(gè)容器中分布越勻稱，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(shí)，總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行解析：選ACD．氣體分子向真空中擴(kuò)散時(shí)，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數(shù)越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確、B錯(cuò)誤．?dāng)U散到真空中的分子在整個(gè)容器中勻稱分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最大，C、D正確.熵和熵增加原理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，就稱這個(gè)系統(tǒng)的熵越大．2．系統(tǒng)自發(fā)變更時(shí)，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會削減．也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變更時(shí)，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．從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變更時(shí)，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減?。?．任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有肯定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變更過程中產(chǎn)生或傳遞．(多選)下列關(guān)于熵的觀點(diǎn)中正確的是()A．熵越大，系統(tǒng)的無序性越大B．對于一個(gè)不行逆絕熱過程，其熵不會減小C．氣體向真空擴(kuò)散時(shí)，熵值減小D．自然過程中熵總是增加，是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多[解析]熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動無序性的量度，熵越大，其無序性越大，A項(xiàng)正確；不行逆絕熱過程中，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目增加，其熵會增加，不會減小，B項(xiàng)正確；氣體向真空中擴(kuò)散，無序程度增大，熵值增大，C項(xiàng)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，通向無序的渠道多，D項(xiàng)正確．[答案]ABDeq\a\vs4\al()當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)經(jīng)過絕熱過程到達(dá)另一個(gè)平衡態(tài)，它的熵永不減?。偃邕^程是可逆的，則熵的數(shù)值不變；假如過程是不行逆的，則熵的數(shù)值增加．2.下面關(guān)于熵的說法錯(cuò)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(gè)自發(fā)的過程熵總是向削減的方向進(jìn)行C．熱力學(xué)其次定律的微觀實(shí)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：選B．熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動無序程度的量度，熵越大則物體內(nèi)分子運(yùn)動無序程度越大，A正確；在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過程熵總是向增加的方向進(jìn)行，B錯(cuò)誤；熱力學(xué)其次定律的微觀實(shí)質(zhì)是熵是增加的，C正確；熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動越無序，D正確．能源的開發(fā)與利用1．能源開發(fā)和利用：加強(qiáng)新能源，特殊是清潔能源的開發(fā)和利用，限制化石能源開采，提高能源的利用率，降低對環(huán)境的污染．2．能源對環(huán)境的影響(1)常規(guī)能源對環(huán)境的影響：石油和煤燃燒產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，產(chǎn)生了“溫室效應(yīng)”，引發(fā)了一系列問題，如兩極的冰雪溶化、海平面上升，海水倒灌、耕地鹽堿化……這些都是人類過度開發(fā)自然所產(chǎn)生的嚴(yán)峻問題．(2)做好環(huán)境愛護(hù)工作：目前的任務(wù)是采納能源新技術(shù)，解決突出的環(huán)境污染問題．例如，城市生活垃圾問題，變垃圾為能源；提高汽車發(fā)動機(jī)效率，解決尾氣問題，達(dá)到廢氣“零”排放；環(huán)境污染的綜合治理問題，解決廢物、廢水、廢氣等，變廢為寶．(多選)下列對能量耗散的理解正確的是()A．能量耗散說明能量在不斷削減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，但可以憑空消逝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(zhuǎn)化的宏觀過程中，其他形式的能量最終會轉(zhuǎn)化為流散到四周環(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，宇宙的能量既沒有削減，也沒有消逝，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(cuò)．[答案]BD3.(多選)關(guān)于“溫室效應(yīng)”，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(yīng)”B．石油和煤炭燃燒時(shí)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(yīng)”C．“溫室效應(yīng)”使得地面氣溫上升、兩極冰雪溶化D．“溫室效應(yīng)”使得土壤酸化解析：選BC．“溫室效應(yīng)”的產(chǎn)生是由于石油和煤炭燃燒時(shí)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、兩極冰雪溶化、海平面上升、沉沒沿海城市、海水向河流倒灌、耕地鹽堿化等，故B、C選項(xiàng)正確．[隨堂檢測]1．下列供熱方式最有利于環(huán)境愛護(hù)的是()A．用煤做燃料供熱B．用石油做燃料供熱C．用自然氣或煤氣做燃料供熱D．用太陽能灶供熱解析：選D．煤、石油、自然氣等燃料的利用，使人類獲得大量的內(nèi)能，但由于這些燃料中含有雜質(zhì)以及燃燒得不充分，使得廢氣中含有的粉塵、一氧化碳、二氧化硫等物質(zhì)污染了大氣．而太陽能是一種無污染的能源，應(yīng)大力推廣，故答案應(yīng)選D．2．(多選)下面關(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，特殊是常規(guī)能源，如煤、石油、自然氣等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：選BC．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，特殊是常規(guī)能源，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確．常規(guī)能源的利用比核能的利用對環(huán)境的影響更大，選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．3．用隔板將一絕熱容器隔成A和B兩部分，A中盛有肯定質(zhì)量的志向氣體，B為真空(如圖甲)．現(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動充溢整個(gè)容器(如圖乙)，這個(gè)過程稱為氣體的自由膨脹．下列說法正確的是()A．自由膨脹過程中，氣體分子只做定向運(yùn)動B．自由膨脹前后，氣體的壓強(qiáng)不變C．自由膨脹前后，氣體的溫度不變D．容器中的氣體在足夠長的時(shí)間內(nèi)，能全部自動回到A部分解析：選C．志向氣體在絕熱的條件下，向真空做自由膨脹的過程是一個(gè)既與外界沒有熱交換，又沒有對外做功的過程，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可以確定氣體的內(nèi)能不變，而志向氣體的分子勢能為零，即分子平均動能不變，故氣體的溫度不變．由志向氣體狀態(tài)方程可知，V增大，T不變，則p減小，B錯(cuò)．由熱力學(xué)其次定律可知D錯(cuò)．4．(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是()A．能量耗散過程中能量不守恒B．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性C．在某一變更過程中外界對氣體做功，而氣體的內(nèi)能反而減小是可能的D．其次類永動機(jī)不行能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能E．假如兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡解析：選B