《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(huì)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(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b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(wú)序 只要確定了某種規(guī)則 系統(tǒng)內(nèi)的個(gè)體符合這個(gè)規(guī)則的為有序 個(gè)體分布沒(méi)有確定的要求 怎樣分布都可以 這樣的分布為無(wú)序 有序和無(wú)序是相對(duì)的 2 宏觀態(tài) 微觀態(tài) 對(duì)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(gè) 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(gè) 宏觀態(tài) 對(duì)應(yīng)的 微觀態(tài) 比較多 就說(shuō)這個(gè)宏觀態(tài)是比較無(wú)序的 3 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)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(gè)宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目 S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度 稱(chēng)為熵 2 熵增加原理 在任何自然過(guò)程中 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小 二 能源和可持續(xù)發(fā)展閱讀教材第67 69頁(yè)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(wèn)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(wú)序度更大的能量 流散到環(huán)境中無(wú)法重新收集起來(lái)加以利用的現(xiàn)象 2 能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的減少 卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低 實(shí)際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級(jí)為不大可用的低品質(zhì)形式 2 能源和環(huán)境 自我檢測(cè)1 判斷正誤 對(duì)的畫(huà) 錯(cuò)的畫(huà) 1 如果一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)比較多 說(shuō)明該宏觀態(tài)是比較無(wú)序的 解析 一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)比較多 說(shuō)明對(duì)該宏觀態(tài)要求得少 其分布是比較無(wú)序的 答案 2 熵越大 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越少 解析 熵越大 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越多 因?yàn)殪厥窍到y(tǒng)無(wú)序性的量度 答案 3 在任何自然過(guò)程中 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)增加 解析 由熵增加原理可得 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小 答案 4 自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序性增大的方向發(fā)展 解析 根據(jù)熵增加原理 一個(gè)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(guò)程總是向無(wú)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(wú)序程度要高于冰的 2 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng) 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(dòng) 其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能 增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度 使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng) 也就是系統(tǒng)的無(wú)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(lái)并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量 可見(jiàn) 雖然能量不會(huì)減少 但方便使用的能源會(huì)越來(lái)越少 所以要節(jié)約能源 探究一 探究二 對(duì)熱力學(xué)第二定律微觀意義的理解問(wèn)題探究如圖所示 將一滴紅墨水滴入一杯清水中 紅墨水會(huì)逐漸擴(kuò)散到整杯水中 呈均勻分布狀態(tài) 這個(gè)過(guò)程中熵的變化情況怎樣 要點(diǎn)提示在這個(gè)過(guò)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(lái) 整杯水的顏色變得均勻后 打破了原來(lái)的有序分布 無(wú)序程度增大 因此 擴(kuò)散后系統(tǒng)的熵增加 知識(shí)歸納1 對(duì)熵的理解 1 熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量 正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動(dòng)能大小一樣 系統(tǒng)越混亂 無(wú)序程度越大 這個(gè)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(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律 一個(gè)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(wú)序 所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展 3 對(duì)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(guò)程 因此 總是朝著熵增加的方向進(jìn)行 或者說(shuō) 一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減小 這就是熵增加原理 4 在任何自然過(guò)程中 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小 如果過(guò)程可逆 則熵不變 如果過(guò)程不可逆 則熵增加 熵增加原理的適用對(duì)象是對(duì)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(duì)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(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng) 但是高溫物體中分子熱運(yùn)動(dòng)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(guò)程中 低溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)逐漸加劇 即低溫物體的溫度升高 而高溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)減緩 即高溫物體的溫度降低 所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來(lái)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(lái)區(qū)分兩個(gè)物體 而最終狀態(tài)是兩個(gè)物體上的溫度處處相同 無(wú)法區(qū)別 我們就說(shuō)系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了 同理可知 在通過(guò)做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過(guò)程中 自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)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(guò)程都只能在一個(gè)方向上發(fā)生 而不會(huì)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(guò)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(guò)程都是不可逆的 宏觀自發(fā)過(guò)程的這種方向性 熵增加的方向 也就成為時(shí)間的方向性 所以 熵又被稱(chēng)為 時(shí)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(shuō)法正確的是 A 大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)B 熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程C 熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程D 一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 思考問(wèn)題 一切自然過(guò)程沿什么方向進(jìn)行 提示一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 探究一 探究二 解析 分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過(guò)程包含著大量的微觀狀態(tài) 這是一個(gè)無(wú)序的運(yùn)動(dòng) 根據(jù)熵增加原理 熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序 而不是變成了無(wú)序 熱傳遞的自然過(guò)程從微觀上講就是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 故選項(xiàng)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(guò)程總是沿著分子無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí) 總是向著無(wú)序程度增加的方向發(fā)展 至少無(wú)序程度不會(huì)減少 也就是說(shuō) 系統(tǒng)自發(fā)變化時(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 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(gè)容器中分布越均勻 其宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D 氣體向真空中擴(kuò)散時(shí) 總是向著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)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(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)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(wèn)題探究說(shuō)明下列能源利用方式中的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是怎樣的 1 水力發(fā)電 2 電動(dòng)水泵抽水 3 柴油機(jī)牽引列車(chē)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(dòng)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(chē)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(chē)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(shí)歸納1 對(duì) 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?chē)沫h(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(guò)只能使地球 大氣稍稍變暖一點(diǎn) 卻再也不能驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了 2 從可被利用的價(jià)值來(lái)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(huì)導(dǎo)致能量的總量減少 卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低 實(shí)際上是將能量從高度有用的形式降級(jí)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(lèi) 探究一 探究二 探究一 探究二 3 能源的開(kāi)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(shuō)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(lèi)利用C 各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化 是能夠自動(dòng)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(guò)程中有一部分以?xún)?nèi)能的形式被周?chē)h(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(xiàng)A錯(cuò)誤 選項(xiàng)D正確 耗散的內(nèi)能無(wú)法再被利用 選項(xiàng)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(guò)程卻不能夠全額進(jìn)行 選項(xiàng)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(guò)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(shuō)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(huì)使環(huán)境惡化 故提倡開(kāi)發(fā)利用新能源D 核能的利用對(duì)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(wú)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(cuò)誤 B正確 常規(guī)能源的利用比核能的利用對(duì)環(huán)境的影響大 C正確 D錯(cuò)誤 答案 BC 1 2 3 4 5 1 已知一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)宏觀態(tài)甲 乙 及對(duì)應(yīng)微觀態(tài)的個(gè)數(shù)分別為較少 較多 則下列關(guān)于對(duì)兩個(gè)宏觀態(tài)的描述及過(guò)程自發(fā)的可能方向的說(shuō)法中正確的是 A 甲比較有序 乙比較無(wú)序 甲 乙B 甲比較無(wú)序 乙比較有序 甲 乙C 甲比較有序 乙比較無(wú)序 乙 甲D 甲比較無(wú)序 乙比較有序 乙 甲解析 一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)微觀態(tài)的多少標(biāo)志著宏觀態(tài)的無(wú)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(wú)序 一切自然過(guò)程總沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 A項(xiàng)正確 B C D項(xiàng)錯(cuò)誤 答案 A 1 2 3 4 5 2 多選 下列說(shuō)法正確的是 A 能量耗散 說(shuō)明能量在不斷減少B 因?yàn)橐后w表面分子分布比內(nèi)部稀 所以表面有收縮趨勢(shì)C 某些液晶中摻入少量多色性染料后 對(duì)不同顏色的光吸收強(qiáng)度與所加電場(chǎng)的場(chǎng)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(lái)越低 但仍然遵守能量守恒定律 故A錯(cuò)誤 液體表面層的分子間同時(shí)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(shì) B正確 彩色液晶顯示屏是應(yīng)用液晶在不同電場(chǎng)中對(duì)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(cuò)誤 答案 BC 1 2 3 4 5 3 下面關(guān)于熵的說(shuō)法錯(cuò)誤的是 A 熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度B 在孤立系統(tǒng)中 一個(gè)自發(fā)的過(guò)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(shí)質(zhì)是熵是增加的D 熵值越大 代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序解析 熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度 熵值越大 代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序 A D正確 在孤立系統(tǒng)中 一個(gè)自發(fā)的過(guò)程熵總是向增加的方向進(jìn)行 B錯(cuò)誤 熱力學(xué)第二定律又可表述為一切自然過(guò)程都遵守熵增加原理 其微觀實(shí)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(shuō)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(huì)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(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)錯(cuò)誤 C項(xiàng)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(xiàng)正確 答案 CD 1 2 3 4 5 5 某市有20萬(wàn)臺(tái)空調(diào)機(jī) 每臺(tái)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(tái)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(qǐng)計(jì)算一下 這項(xiàng)節(jié)能建議的實(shí)現(xiàn)能為我們后輩留下多少?lài)崢?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