《高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 課時5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 課時6 能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 新人教版選修33》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 課時5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 課時6 能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 新人教版選修33（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 學(xué)案5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 學(xué)案6 能源和可持續(xù)發(fā)展 [目標(biāo)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(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無序程度的關(guān)系.2.知道熵的概念，了解熵增加原理，知道它是熱力學(xué)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(xué)第二定律的微觀意義 [問題設(shè)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(kuò)散，以箱子內(nèi)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(xué)第二定律說明，氣體擴(kuò)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．

2、 圖1 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(yīng)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?wù)勆厦鎲栴}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(xué)第二定律的微觀意義？ 答案　從無序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運(yùn)動的分子組成的．因為任何熱力學(xué)過程都伴隨著分子的無序運(yùn)動狀態(tài)的變化，當(dāng)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(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)

3、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(dāng)氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當(dāng)多時，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)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(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，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，這就是熱力學(xué)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(yīng)的微觀態(tài)的個數(shù)不同．如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀

4、態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的． 2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義 我們所說的有序狀態(tài)，指的是對應(yīng)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(yīng)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(xué)中用字母Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目，用字母S表示熵，則 S＝kln_Ω，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?。@就是熵增加原理，也是熱力學(xué)第二定律的另一種表述． 二、能源和可持續(xù)發(fā)展 [問題設(shè)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

5、擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)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(nèi)能重新收集起來加以利用．可見，內(nèi)能與機(jī)械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？ 答案　內(nèi)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(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等． [要點提煉] 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)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性． (3)能量耗散雖然不會使能量的總量減少，卻會導(dǎo)致能量品

6、質(zhì)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 ①常規(guī)能源：煤、石油、天然氣 ②對環(huán)境的危害 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)”．排入大氣中的污染物在太陽紫外線照射下發(fā)生光化學(xué)效應(yīng)，形成二次污染物“光化學(xué)煙霧”．煤燃燒時形成的二氧化硫等物質(zhì)使雨水形成“酸雨”． (2)開發(fā)新能源 新能源有太陽能、風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能等，它們的特點是：污染少、可再生、資源豐富． 一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義 例1　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．

7、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 解析　分子熱運(yùn)動是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動，系統(tǒng)的一個宏觀狀態(tài)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(yùn)動狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程． 答案　CD 例2　下列關(guān)于熵的說法中錯誤的是(　　) A．熵

8、是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)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(xué)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(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義．系統(tǒng)的熱力學(xué)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)的熵值不會減小，因此熱力學(xué)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

9、C．能量耗散說明能量不能憑空產(chǎn)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(zhuǎn)化的宏觀過程中，其他形式的能量最終轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(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(zhuǎn)

10、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(chǎn)生，導(dǎo)致有毒氣體的產(chǎn)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　AC 1．(熱力學(xué)第二定律的微觀意義)下列關(guān)于熱力學(xué)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(xué)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(yùn)動無序性減小的方向進(jìn)行 C．有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動無序性減小的方向進(jìn)行 D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵會減小 答案　A 解析　熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，A對；從熱力學(xué)

11、第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運(yùn)動無序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行，也就是熵增加的方向進(jìn)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)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的

12、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(zhuǎn)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(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 D．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 答案　CD 解析　能量耗散說明能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，符合熱力學(xué)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(hù)的是(　　)

13、 A．用煤做燃料供熱 B．用石油做燃料供熱 C．用天然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(nèi)能．但由于這些燃料中含有雜質(zhì)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(yīng)大為推廣，故答案應(yīng)選D. 題組一　熱力學(xué)第二定律的微觀意義 1．下列說法中正確的是(　　) A．機(jī)械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)的“微觀

14、態(tài)”比較多，就說明這個“宏觀態(tài)”是比較無序的 答案　D 2．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(yīng)的微觀態(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(yīng)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(yīng)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(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序 答案　AC 3．下列說法中正確的是(　　) A．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)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(yùn)動無序程度增大的方向進(jìn)行 C．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏

15、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(yùn)動有序程度增大的方向進(jìn)行 答案　AB 4．關(guān)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“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　AD 5．下列關(guān)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(kuò)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

16、道要比通向有序的渠道多很多 答案　ABD 解析　熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動無序性的量度，熵越大，其無序度越大，A正確．不可逆的絕熱過程，其宏觀態(tài)對應(yīng)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(kuò)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正確． 6．如圖1所示，質(zhì)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(guān)系？為什么？ 圖1 答案　S固

17、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(zhì)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(zhuǎn)化，所以，氣態(tài)的酒精熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時熵最?。? 題組二　能量耗散和可持續(xù)發(fā)展 7．下列關(guān)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 B．能量耗散是指散失在環(huán)境中的內(nèi)能再也不能收集起來被人類利用 C．各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的 D．能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低 答案　BCD 8．下列現(xiàn)象屬于能量耗散的有(　　) A．利用水能發(fā)電轉(zhuǎn)化為

18、電能 B．電能通過燈泡中的電阻絲轉(zhuǎn)化為光能 C．電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為內(nèi)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(dāng)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(nèi)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，故不能算能量耗散．火爐把房子烤暖后使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)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(zhì)上是(　　) A．能量的

19、消失過程 B．能量的創(chuàng)造過程 C．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程 D．能量的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化，后者是能量的轉(zhuǎn)移． 10．下列說法正確的是(　　) A．人的學(xué)習(xí)過程隨著知識的逐漸積累，引起認(rèn)知系統(tǒng)總熵值減小 B．人的學(xué)習(xí)過程隨著知識的逐漸積累，引起認(rèn)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(jī)中的內(nèi)能可以全部用來做功 答案　A 解析　人學(xué)習(xí)知識積累的過程不能自發(fā)進(jìn)行，而要靠人的主觀能動性，故知識積累越多，有序程度越大，認(rèn)知系統(tǒng)的總熵值越?。疅釞C(jī)效率不可能達(dá)到百分之百．雖然能量守恒但卻

20、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(fèi)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(shù)”，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(guān)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(xué)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(xué)變化但沒有物理變化 C．該技術(shù)實現(xiàn)了煤的清潔利用 D．該技術(shù)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(xué)變化，A正確；該技術(shù)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

21、響很大，為了減少酸雨的影響，應(yīng)采取的措施是(　　) ①少用煤作燃料　②燃料脫硫?、墼谝呀?jīng)酸化的土壤中加石灰　④多種植美人蕉、銀杏等植物　⑤開發(fā)新能源?、薅喾N植法國梧桐、檸檬等植物 A．①②④⑤ B．①②⑤⑥ C．①②③④⑤ D．①②③⑤⑥ 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，少用煤作燃料和燃料脫硫是有效的方法．開發(fā)新能源也是減少煤使用量的方法，另外美人蕉和銀杏對SO2有較強(qiáng)的吸收能力，所以①、②、④、⑤正確，應(yīng)選A. 13．CO2氣體有個“怪脾氣”，它幾乎不吸收太陽的短波輻射，大氣中CO2濃度增

22、加，能使地表溫度因受太陽輻射而上升；另外，它還有強(qiáng)烈吸收地面紅外熱輻射的作用，阻礙了地球周圍的熱量向外層空間的排放，使整個地球就像一個大溫室一樣．因此，大氣中CO2濃度的急劇增加已導(dǎo)致氣溫的逐步上升，使全球氣候變暖． (1)這種大氣中以CO2為主的氣體產(chǎn)生的效應(yīng)稱為(　　) A．光熱效應(yīng) B．光電效應(yīng) C．光氣效應(yīng) D．溫室效應(yīng) (2)導(dǎo)致大氣中CO2濃度增加的主要原因是(　　) A．大量植物和生物物種滅絕 B．大量燃料如石油、煤炭、天然氣等的燃燒 C．人口劇增，呼出的二氧化碳增多 D．自然因素破壞了地球環(huán)境生態(tài)平衡 (3)為了減緩大氣中CO2濃度的增加，可以采取的措施有

23、(　　) A．禁止使用煤、石油和天然氣 B．開發(fā)使用核能、太陽能 C．將汽車燃料由汽油改為液化石油氣 D．植樹造林 答案　(1)D　(2)B　(3)BD 解析　大氣中CO2濃度的增加，導(dǎo)致了溫室效應(yīng)；為了緩解這種局面，一方面要盡量少使用煤、石油等常規(guī)能源，另一方面要開發(fā)利用新能源并植樹造林改善環(huán)境． 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375