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33

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(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、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

3、在一個(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最小實(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)

4、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skln_，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)減小這就是熵增加原理，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

5、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)能源常規(guī)能源：煤、石油、天然氣對(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

6、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)

7、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

8、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)

9、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ac1(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

10、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

11、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

12、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d2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

13、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ac3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ab4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“

14、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ad5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

15、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<s液<s氣原因見(jiàn)解析解析根據(jù)大量分子運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無(wú)序程度的影響，熱力學(xué)第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(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)，任何一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會(huì)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(shí)熵最小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(shuō)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

16、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(lái)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(dòng)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bcd8下列現(xiàn)象屬于能量耗散的有()a利用水能發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能b電能通過(guò)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(wú)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(shí)的光能被墻壁吸收之后變?yōu)橹車h(huán)境的內(nèi)能，才無(wú)法重新收集并加以利用，但本題沒(méi)有指明該光能用來(lái)做什么，故

17、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(wú)法重新收集并加以利用，屬于能量耗散9能源利用的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是()a能量的消失過(guò)程b能量的創(chuàng)造過(guò)程c能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程d能量的轉(zhuǎn)化、傳遞并且逐漸消失的過(guò)程答案c解析能源利用的過(guò)程是做功或熱傳遞的過(guò)程，前者是能量的轉(zhuǎn)化，后者是能量的轉(zhuǎn)移10下列說(shuō)法正確的是()a人的學(xué)習(xí)過(guò)程隨著知識(shí)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(guò)程隨著知識(shí)的逐漸積累，引起認(rèn)知系統(tǒng)總熵值增加c因?yàn)槟芰渴睾悖詿o(wú)需節(jié)約能源d熱機(jī)中的內(nèi)能可以全部用來(lái)做功答案a解析人學(xué)習(xí)知識(shí)積累的過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行，而要靠人的主觀能動(dòng)性，故知識(shí)積累越多，有序程度越

18、大，認(rèn)知系統(tǒng)的總熵值越小熱機(jī)效率不可能達(dá)到百分之百雖然能量守恒但卻有能量耗散，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(shuō)法中正確的是()a煤粉加壓氣化制備合成氣過(guò)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(guò)程涉及化學(xué)變化但沒(méi)有物理變化c該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤的清潔利用d該技術(shù)實(shí)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(guò)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(duì)植物的正常生長(zhǎng)影響很大，為了減少酸雨的影響，應(yīng)采取的措施是()少用煤作燃料燃料脫硫在已經(jīng)酸化的土壤中加石灰多種植美人蕉、銀杏等植物開發(fā)新能源多種植法國(guó)梧桐、檸檬等植物a bc d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(guò)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(duì)so2有較強(qiáng)的吸收能力，所以、正確，應(yīng)選a.13co2氣