2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋10-6能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案新人教版選修3-3

PAGE8-5熱力學(xué)其次定律的微觀說明6能源和可持續(xù)發(fā)展一、熱力學(xué)其次定律的微觀說明1．有序和無序(1)概念：一個系統(tǒng)的個體按確定的某種規(guī)則有依次地排列即為有序；假如對個體的分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即為無序．(2)特點：有序和無序是相對的，即存在一個有序程度的問題．2．宏觀態(tài)和微觀態(tài)(1)概念：在統(tǒng)計物理學(xué)中，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．(2)特點：假如一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，那么這個“宏觀態(tài)”是比較無序的．3．熱力學(xué)其次定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大(選填“增大”或“減小”)的方向進行．這就是熱力學(xué)其次定律的微觀意義．4．熵及熵增加原理(1)熵①物理意義：用來量度系統(tǒng)無序程度的物理量叫作熵．②表達式：S＝klnΩ，其中k表示玻爾茲曼常數(shù)，Ω表示一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示熵．(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?。@就是用熵的概念表示的熱力學(xué)其次定律．肯定質(zhì)量的氣體被壓縮，從而放出熱量，其熵怎樣改變？提示：氣體被壓縮過程中，體積減小，分子間的相對位置越來越確定，系統(tǒng)的無序程度越來越小，所以熵減小．二、能源和可持續(xù)發(fā)展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，流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象．(2)各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的．(3)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)改變過程具有方向性．(4)能量耗散雖然不會導(dǎo)致能量總量的削減，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它事實上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級為不大可用的低品質(zhì)形式．流淌的水帶動水磨做功，由于磨盤之間的摩擦、磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度上升，水流的一部分機械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到四周的空氣中，我們沒有方法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用．請思索：內(nèi)能與機械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？提示：內(nèi)能．能量的耗散雖然不會使能量削減，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它事實上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式．故內(nèi)能較之機械能是一種低品質(zhì)的能量．2．能源與環(huán)境(1)能源的種類①常規(guī)能源：煤、石油、自然氣等．②新能源：太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能等．(2)環(huán)境問題：化石能源的資源有限，而且運用時對環(huán)境有很大的破壞，造成的環(huán)境污染主要有：溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧、浮塵等．考點一熱力學(xué)其次定律的微觀意義1．熱力學(xué)其次定律的微觀說明(1)高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運動，但是高溫物體中分子熱運動的平均速率要大于低溫物體．所以在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過程中，低溫物體分子運動的猛烈程度會漸漸加劇，即低溫物體的溫度上升了，而高溫物體分子運動的猛烈程度會減緩，即高溫物體的溫度降低了．所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體．(2)換一種角度看，初始狀態(tài)我們依據(jù)溫度的凹凸來區(qū)分兩個物體，而終了狀態(tài)兩個物體上的溫度到處相同，無法區(qū)分，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了．(3)同理可知，在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，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．2．熱力學(xué)其次定律的微觀意義：熱力學(xué)其次定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會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程中，哪些可能發(fā)生，哪些不行能發(fā)生．自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不行逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性．所以，“熵”又經(jīng)常被稱為“時間箭頭”．3．熵和熵增加原理(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣．系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個系統(tǒng)的熵越大．(2)系統(tǒng)自發(fā)改變時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會削減．也就是說，系統(tǒng)自發(fā)改變時，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)進行．從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)改變時，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減?。?3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有肯定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的改變過程中產(chǎn)生或傳遞．【例1】熱力學(xué)其次定律指出了熱量傳遞方向和熱量轉(zhuǎn)化方向的不行逆性，這一結(jié)論可以從微觀角度動身，從統(tǒng)計意義來進行說明．氣體自由膨脹的不行逆性可以用概率來說明(下圖)．a(chǎn)、b、c三個分子在A、B兩室的安排方式(下圖)則：(1)a分子出現(xiàn)在A室的概率為________；(2)a、b、c三個分子全部回到A室的概率為________；(3)N個分子全部自動收縮到A室的概率為________．利用統(tǒng)計理論中的概率學(xué)問求解．【解析】a分子在自由運動后，在A室、B室的概率均為eq\f(1,2)，b分子在A室、B室的概率也為eq\f(1,2)，c分子在A室、B室的概率亦為eq\f(1,2)，則a、b、c同時出現(xiàn)在A室的概率為：eq\f(1,2)×eq\f(1,2)×eq\f(1,2)＝eq\f(1,8)，則當(dāng)有N個分子時，它們同時出現(xiàn)在A室的概率為eq\f(1,2N).【答案】(1)eq\f(1,2)(2)eq\f(1,8)(3)eq\f(1,2N)總結(jié)提能從“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”反映有序和無序，充分利用統(tǒng)計學(xué)的學(xué)問說明熱力學(xué)其次定律，是本部分的重要題型，這類題目不僅須要有物理學(xué)問，還要熟知數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)、概率等學(xué)問的基本內(nèi)容．(多選)關(guān)于熱力學(xué)其次定律的微觀意義，下列說法正確的是(CD)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．一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行解析：熱力學(xué)其次定律的微觀意義明確指出：一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序程度增大的方向進行，所以答案C、D正確．考點二能源的分類【例2】據(jù)《中國環(huán)境報》報道：從一份科技攻關(guān)課題探討結(jié)果顯示，我國酸雨區(qū)已占國土面積的40%以上，探討結(jié)果還表明，我國農(nóng)業(yè)每年因遭遇酸雨而造成的經(jīng)濟損失高達15億元．為了有效限制酸雨，目前國務(wù)院已批準《酸雨限制區(qū)和二氧化硫污染限制區(qū)劃分方案》等法規(guī)．(1)在英國進行的一項探討結(jié)果表明：高煙囪可有效地降低地面SO2濃度．在20世紀的60～70年頭的10年間，由發(fā)電廠排放的SO2增加了35%，但由于建立高煙囪的緣由，地面濃度降低了30%，請你從全球環(huán)境愛護的角度，分析這種做法是否可?。空f明理由．(2)用傳統(tǒng)的煤、石油作燃料，其主要缺點是什么？與傳統(tǒng)的煤、石油作燃料相比，哪種物質(zhì)可以作為新能源？主要優(yōu)點是什么，缺點又是什么？溫室效應(yīng)：化石燃料燃燒放出的大量二氧化碳，使大氣中二氧化碳的含量大大增加，導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，造成地面溫度上升，兩極的冰雪溶化，海平面上升，沉沒沿海地區(qū)等不良影響．酸雨污染：排放到大氣中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水過程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨進入地表、江河，破壞土壤，影響農(nóng)作物生長，使生物死亡，破壞生態(tài)平衡．同時，還會腐蝕建筑結(jié)構(gòu)、工業(yè)裝備、動力和通訊設(shè)備等，還干脆危害人類健康．【解析】(1)這種方法并不行取，因為雖然高煙囪可有效地降低地面SO2濃度，但并不能削減排放到大氣中的SO2總量，總污染量并未削減，并且高空中的SO2很簡單與雨水結(jié)合，形成酸雨危害環(huán)境．(2)傳統(tǒng)的煤、石油作燃料，其主要缺點是燃燒過程中產(chǎn)生污染，危害環(huán)境．氫這種物質(zhì)可以作為新能源，因為相同質(zhì)量的氫與煤、石油相比，放出的熱量更多，并且燃燒后只產(chǎn)生水，無污染物形成．缺點是大量的單質(zhì)氫不簡單獲得，成本太高，并且氫的熔點很低，不簡單液化，給運輸帶來擔(dān)心全因素．總結(jié)提能過度開采常規(guī)能源已造成能源危機，運用常規(guī)能源也干脆污染著地球環(huán)境．(多選)煤是重要的能源和化工原料，干脆燃燒既奢侈資源又污染環(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)說法正確的是(ACD)A．煤粉加壓氣化制備合成氣過程涉及化學(xué)改變和物理改變B．煤粉加壓氣化制備合成氣過程涉及化學(xué)改變但沒有物理改變C．該技術(shù)實現(xiàn)了煤的清潔利用D．該技術(shù)實現(xiàn)了煤的高效利用解析：煤粉加壓氣化制備合成氣中既有物理改變，又有化學(xué)改變，A正確，B錯誤；該技術(shù)使煤得以良好利用又環(huán)保，C、D正確．1．已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲、乙，其對應(yīng)微觀態(tài)的個數(shù)分別為較少、較多，則下列關(guān)于兩個宏觀態(tài)的描述及自發(fā)過程的可能方向的說法中正確的是(A)A．甲比較有序，乙比較無序，甲→乙B．甲比較無序，乙比較有序，甲→乙C．甲比較有序，乙比較無序，乙→甲D．甲比較無序，乙比較有序，乙→甲解析：一個宏觀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)的多少標記了宏觀態(tài)的無序程度，從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)地進行方向，微觀態(tài)數(shù)目越多，表示越無序，故甲較有序，乙較無序，C、D錯誤；一切自發(fā)過程總沿著無序性增大的方向進行，即甲→乙，A正確，B錯誤．2．關(guān)于氣體向真空中擴散的規(guī)律，下列敘述中錯誤的是(B)A．氣體分子數(shù)越少，擴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)越多，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C．?dāng)U散到真空中的分子在整個容器中分布得越勻稱，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D．氣體向真空中擴散時，總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行解析：氣體分子數(shù)越多，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，無序性越大，所以回到原狀態(tài)的可能性越小，因此B錯誤．3．(多選)下列關(guān)于晶體熔化的說法中正確的是(BD)A．在晶體熔化的過程中，溫度不變，分子熱運動的平均速率不變，則無序程度不變B．晶體熔化時，分子的平衡位置在空間的較為規(guī)則排列，變?yōu)榉肿拥钠胶馕恢玫妮^為無序排列，則無序度增大C．在晶體熔化的過程中，熵將保持不變D．在晶體熔化的過程中，熵將增加解析：在晶體熔化的過程中，分子的平衡位置由較有規(guī)則變?yōu)闊o規(guī)則，無序度增大，熵將增加，故B、D對．4．(多選)關(guān)于“溫室效應(yīng)”，下列說法正確的是(BC)A．太陽能源源不斷地輻射到地球上，由此產(chǎn)生了“溫室效應(yīng)”B．石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，由此產(chǎn)生了“溫室效應(yīng)”C．“溫室效應(yīng)”使得地面氣溫上升、兩極冰雪溶化D．“溫室效應(yīng)”使得土壤酸化解析：“溫室效應(yīng)”的產(chǎn)生是由于石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳