2018-2019學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 課時(shí)5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 課時(shí)6 能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 新人教版選修3-3.doc
《2018-2019學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 課時(shí)5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 課時(shí)6 能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 新人教版選修3-3.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 課時(shí)5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 課時(shí)6 能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 新人教版選修3-3.doc（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
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(wú)序是相對(duì)的，知道宏觀態(tài)與微觀態(tài)，知道宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無(wú)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(wèn)題設(shè)計(jì)] 1.如圖1所示，一個(gè)箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個(gè)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(gè)分子為模型，說(shuō)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(shuō)明，氣體擴(kuò)散后4個(gè)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(duì)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(wú)序的角度談?wù)勆厦鎲?wèn)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(xué)第二定律的微觀意義？ 答案 從無(wú)序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無(wú)序運(yùn)動(dòng)的分子組成的．因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過(guò)程都伴隨著分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對(duì)于左、右兩室這一個(gè)整體來(lái)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)就變得無(wú)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(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最?。畬?shí)際上，當(dāng)氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多時(shí)，撤去擋板后實(shí)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(guò)程是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，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，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義． [要點(diǎn)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(gè)“宏觀態(tài)”，這個(gè)“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(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的個(gè)數(shù)不同．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． 2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義 我們所說(shuō)的有序狀態(tài)，指的是對(duì)應(yīng)著較少微觀態(tài)的宏觀態(tài)．自發(fā)的過(guò)程總是傾向于出現(xiàn)與較多微觀態(tài)對(duì)應(yīng)的宏觀態(tài)，因此自發(fā)的過(guò)程總是從有序向著無(wú)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(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)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(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)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(wèn)題設(shè)計(jì)] 1．流動(dòng)的水帶動(dòng)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(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(méi)有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來(lái)加以利用．可見(jiàn)，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(huì)帶來(lái)哪些環(huán)境問(wèn)題？ 答案 溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等． [要點(diǎn)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(wú)序度更大的能量，分散到環(huán)境中無(wú)法重新收集起來(lái)加以利用的現(xiàn)象． (2)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性． (3)能量耗散雖然不會(huì)使能量的總量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低(填“降低”或“提高”)，它實(shí)際上將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大有用的形式． 2．能源和人類社會(huì)發(fā)展 (1)常規(guī)能源 ①常規(guī)能源：煤、石油、天然氣 ②對(duì)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(yáng)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(shí)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(yáng)能、風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能等，它們的特點(diǎn)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(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 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)宏觀狀態(tài)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，而不是變得有序．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． 答案 CD 例2 下列關(guān)于熵的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是( ) A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度 B．在自然過(guò)程中一個(gè)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(wú)序 解析 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，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(guò)程就是大量分子向無(wú)序程度大的狀態(tài)變化的過(guò)程．自然過(guò)程的方向性可以表述為：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值不會(huì)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(shuō)法正確，C說(shuō)法錯(cuò)誤． 答案 C 二、能量耗散和可持續(xù)發(fā)展 例3 下列對(duì)能量耗散理解正確的是( ) A．能量耗散說(shuō)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(shuō)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(guò)程具有方向性 解析 在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過(guò)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(wú)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(méi)有減少，也沒(méi)有消失，它從能量角度反映出自然界的宏觀過(guò)程具有方向性，故A、C錯(cuò)，B、D對(duì)． 答案 BD 例4 以下說(shuō)法正確的是( ) A．煤、石油、天然氣等燃料的最初來(lái)源可追溯到太陽(yáng)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(dòng)、植物轉(zhuǎn)化成的，其來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能，A對(duì)；汽油燃燒會(huì)引起一些化合物的產(chǎn)生，導(dǎo)致有毒氣體的產(chǎn)生，B錯(cuò)；水能是可再生能源，C對(duì)；煤、石油等存儲(chǔ)量是有限的，是不可再生能源，D錯(cuò)． 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(shuō)法正確的是( ) A．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 B．一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行 C．有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行 D．在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵會(huì)減小 答案 A 解析 熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A對(duì)；從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)；任何自然過(guò)程總是朝著無(wú)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(cuò)．所以選A. 2．(熵)對(duì)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，下列說(shuō)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(wú)序的狀態(tài)發(fā)展 D．系統(tǒng)逐漸從比較無(wú)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(shí)際過(guò)程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)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(wú)序的狀態(tài)發(fā)展，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤． 3．(能量耗散)熱現(xiàn)象過(guò)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(guò)程中無(wú)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(shuō)法中正確的是( ) A．能量耗散說(shuō)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(guò)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(guò)程具有方向性 答案 CD 解析 能量耗散說(shuō)明能量轉(zhuǎn)化的宏觀過(guò)程具有方向性，符合熱力學(xué)第二定律，B錯(cuò)誤，D正確；能量耗散過(guò)程中，能量并沒(méi)有消失，能量仍然守恒，A錯(cuò)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( ) 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(yáng)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(yáng)能是一種無(wú)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(shuō)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(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)明這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較有序的 D．如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)明這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的 答案 D 2．對(duì)“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(duì)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(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無(wú)序 C．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無(wú)序 D．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序 答案 AC 3．下列說(shuō)法中正確的是( ) A．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是不可逆的 B．一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行 C．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是可逆的 D．一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)有序程度增大的方向進(jìn)行 答案 AB 4．關(guān)于熵，下列說(shuō)法中正確的是( ) A．熵值越大，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無(wú)序程度越高 B．熵值越小，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無(wú)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(diǎn)中正確的是( ) A．熵越大，系統(tǒng)的無(wú)序度越大 B．對(duì)于一個(gè)不可逆的絕熱過(guò)程，其熵增大 C．氣體向真空擴(kuò)散時(shí)，熵值減小 D．自然過(guò)程中熵總是增加的，是因?yàn)橥ㄏ驘o(wú)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(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度，熵越大，其無(wú)序度越大，A正確．不可逆的絕熱過(guò)程，其宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會(huì)增加，不會(huì)減小，B正確．氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，無(wú)序度增大，熵值增大，C錯(cuò)誤．自然過(guò)程中，無(wú)序度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率較大，因?yàn)橥ㄏ驘o(wú)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(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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