2020版導(dǎo)與練人教版選修3-3-第十章熱力學(xué)定律5-熱力學(xué)第二定律的微觀解釋6-能源和可持續(xù)發(fā)展課件

5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋6能源和可持續(xù)發(fā)展[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解有序和無(wú)序、宏觀態(tài)和微觀態(tài).2.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義.3.了解熵的概念,知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量,知道隨著條件的變化,熵也是變化的.4.了解什么是能量耗散和品質(zhì)降低,了解能源與人類(lèi)社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系.課前預(yù)習(xí)課堂探究隨堂演練課前預(yù)習(xí)

掌握新知知識(shí)梳理一、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1.有序和無(wú)序有序:確定了某種

,系統(tǒng)符合這個(gè)規(guī)則的就是有序的.無(wú)序:一個(gè)系統(tǒng)中,對(duì)個(gè)體的分布

確定的要求,“怎樣分布都可以”,這樣的分布是無(wú)序的.有序和無(wú)序是

的.按照某種規(guī)則,個(gè)體分布是有序的,但若按另一種規(guī)則要求,有些個(gè)體就可能是

的.無(wú)序意味著對(duì)每個(gè)個(gè)體各處都一樣、平均、沒(méi)有差別;而有序則相反.規(guī)則沒(méi)有相對(duì)無(wú)序2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài):一個(gè)系統(tǒng)整體所處的狀態(tài)就叫做宏觀態(tài).微觀態(tài):宏觀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)體的不同

狀態(tài)就叫微觀態(tài),一個(gè)“宏觀態(tài)”往往對(duì)應(yīng)有多個(gè)“微觀態(tài)”,對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”越多,就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”無(wú)序度

.3.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的

增大的方向進(jìn)行.分布越大無(wú)序性4.熵(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

,用字母S表示熵,有S=klnΩ,式中k叫做玻耳茲曼常量.注:既然微觀態(tài)的數(shù)目Ω是分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的一種量度,由于Ω越大,熵S也越大,那么熵S自然也是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)

的量度.(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)

.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

,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.數(shù)目無(wú)序性減小內(nèi)能(2)各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是無(wú)序程度

的狀態(tài)向無(wú)序程度

的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化,是能夠

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)變化過(guò)程具有

性.(4)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

的降低,它實(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.2.能源與環(huán)境(1)常規(guī)能源:人們把煤、

、

等化石能源叫做常規(guī)能源,人類(lèi)消耗的能源主要是常規(guī)能源.較小較大自動(dòng)方向品質(zhì)高品質(zhì)低品質(zhì)石油天然氣(2)新能源:主要有

能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能、核能等.(3)環(huán)境問(wèn)題:化石能源的大量消耗帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題有

效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等.太陽(yáng)溫室科學(xué)思維1.思考判斷(1)熵越小,系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越少.(

)(2)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.(

)(3)大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng).(

)(4)能量耗散會(huì)導(dǎo)致總能量的減少,也會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低.(

)(5)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.(

)(6)既然能量是守恒的,那么人類(lèi)就沒(méi)必要節(jié)約能源.(

)√×××√×2.思維探究(1)質(zhì)量相同、溫度相同的水,如圖所示,分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下,它們的熵的大小有什么關(guān)系?為什么?答案:質(zhì)量相同、溫度相同的水,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)時(shí)的熵最大,其次是液態(tài),固態(tài)時(shí)的熵最小.(2)既然能量守恒,為什么還要節(jié)約能源?答案:人們?cè)谑褂媚茉吹臅r(shí)候,高品質(zhì)的能量釋放出來(lái)并最終轉(zhuǎn)化為不大可用的低品質(zhì)的內(nèi)能.雖然能量不會(huì)減少,但能源會(huì)越來(lái)越少,所以要節(jié)約能源.(3)如圖所示是鍋爐工作時(shí)的外景,從節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)角度來(lái)看,存在的主要問(wèn)題是什么?答案:由題圖中的濃煙滾滾,可以發(fā)現(xiàn)存在的主要問(wèn)題有兩個(gè):一是燃料燃燒不充分,且煙氣帶走大量的熱量,造成能量損失;二是造成大氣污染.要點(diǎn)一熱力學(xué)第二定律的微觀解釋課堂探究突破要點(diǎn)[探究導(dǎo)學(xué)]1.如圖所示,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.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)歸納]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)減少,這就是熵增加原理.[例1](多選)下面關(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)的總熵不會(huì)減小AD解析: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,我們知道熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,故A正確,B,C錯(cuò)誤.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,故D正確.學(xué)霸筆記對(duì)熵的四點(diǎn)理解(1)熵的微觀意義:熵是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度.(2)熵是表示一個(gè)體系自由度的物理量.熵越大,表示在這個(gè)體系下的自由度越大,可能達(dá)到的狀態(tài)越多.(3)熵不是守恒的量,在孤立體系中經(jīng)過(guò)一個(gè)不可逆過(guò)程,熵總是增加的.(4)熵的本質(zhì):熵是體系微觀混亂度的量度,混亂度越大,熵值也越大.解析:由熱力學(xué)第二定律的微觀意義知,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.故C,D正確,A,B錯(cuò)誤.(教師備用)[例1-1](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CD[針對(duì)訓(xùn)練1](多選)下列關(guān)于熵的說(shuō)法中正確的是(

)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)的總熵不會(huì)減小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: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)的總熵不會(huì)減小,因此熱力學(xué)第二定律又稱(chēng)為熵增加原理.因此A,B,D說(shuō)法正確,C說(shuō)法錯(cuò)誤.ABD要點(diǎn)二能源和可持續(xù)發(fā)展[探究導(dǎo)學(xué)](1)能源與能量的含義相同嗎?答案:不相同.能量是守恒的,既不會(huì)增加也不會(huì)減少;能源是可以提供可利用能量的物質(zhì).(2)你知道哪些能源為不可再生能源,哪些能源為可再生能源嗎?答案:不可再生能源:煤、石油、天然氣等;可再生能源:水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?(3)你知道國(guó)家為何提倡節(jié)能減排嗎?答案:大量能量的使用不會(huì)使能的總量減少,卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低,將能量從高度有用的形式降為不大可用的形式,所以要節(jié)約能源.[要點(diǎn)歸納]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、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,它實(shí)際上是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(lèi)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(kāi)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.[例2](多選)關(guān)于能源的開(kāi)發(fā)和利用,下列觀點(diǎn)正確的是(

)A.無(wú)節(jié)制地利用能源,是一種盲目的短期行為B.根據(jù)能量守恒定律,能源是取之不盡、用之不竭的C.能源的開(kāi)發(fā)和利用,必須同時(shí)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)D.不斷開(kāi)發(fā)新能源,是緩解能源危機(jī)的主要途徑ACD解析:能源是有限的,必須合理利用能源,A正確;盡管能量守恒,但使用過(guò)程中會(huì)有能量耗散及品質(zhì)降低,常規(guī)能源并不是取之不盡,用之不竭的,B錯(cuò)誤;能源利用推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步的同時(shí)會(huì)破壞人類(lèi)生存的環(huán)境,必須加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),C正確;開(kāi)發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足,D正確.學(xué)霸筆記能量與能源的區(qū)別(1)能量是守恒的,既不會(huì)增加也不會(huì)減少.(2)能源是可以提供可利用能量的物質(zhì),能源的利用過(guò)程存在能量耗散現(xiàn)象,能量耗散使得能量品質(zhì)下降即能源減少,故我們要節(jié)約能源.解析:盡管能量守恒,但耗散的能量無(wú)法重新收集起來(lái)并加以利用,所以能源是有限的,特別是常規(guī)能源,故A錯(cuò)誤,B正確.常規(guī)能源的利用比新能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能的利用對(duì)環(huán)境影響大,故C正確,D錯(cuò)誤.BC(教師備用)[例2-1](多選)下列關(guān)于能源的說(shuō)法中正確的是(

)A.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[針對(duì)訓(xùn)練2](多選)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AC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正確;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)誤;水能是可再生能源,C正確;煤、石油等存儲(chǔ)量是有限的,是不可再生能源,D錯(cuò)誤.隨堂演練檢測(cè)效果1.(多選)關(guān)于有序和無(wú)序、宏觀態(tài)和微觀態(tài),下列說(shuō)法正確的是(

)A.有序和無(wú)序是絕對(duì)的B.一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C.一個(gè)“宏觀態(tài)”只能對(duì)應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D.無(wú)序意味著各處一樣、平均、沒(méi)有差別BD解析:因?yàn)闊o(wú)序是各處都一樣、平均、沒(méi)有差別,故D項(xiàng)正確;而有序和無(wú)序是相對(duì)的,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)“微觀態(tài)”,所以B項(xiàng)正確,C項(xiàng)錯(cuò)誤.2.(多選)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