2018-2019學(xué)年高中物理 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3-3.doc
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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?。畬嶋H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(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擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉(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．大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)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(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動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(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)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(jié)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(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．熵是系統(tǒng)內(nèi)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(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動的無序性增大的方向進行，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 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)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)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(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)境保護的是( ) 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動無序程度增大的方向進行 C．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)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 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(nèi)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(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固下載提示(請認真閱讀)
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