高中物理第十章热力学定律第五节热力学第二定律的微观解释第六节能源和可持续发展课堂探究学案新人教选修.docx

第五节 热力学第二定律的微观解释第六节 能源和可持续发展课堂探究探究一对热力学第二定律微观意义的理解问题导引质量相同、温度相同的水，如图所示分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？提示：气态时的熵最大，其次是液态，固态时熵最小。这是因为质量相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，也可由液态自发地向气态转化，根据熵增加原理，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减小，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小。名师精讲1对熵的理解(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大。(2)从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。(3)对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行。或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小，这就是熵增加原理。(4)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。温馨提醒熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少。2对热力学第二定律微观意义的理解(1)热力学第二定律的微观解释：高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率较大，所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低。所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看，初始我们根据温度的高低来区分两个物体，而最终状态是两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的无序程度增加了。同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。(2)热力学第二定律的微观意义：热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现，它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生。自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向)，也就成为时间的方向性。所以，“熵”又被称为“时间箭头”。【例题1】 关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是()A大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B传热的自发过程是大量分子从无序运动状态向有序运动状态转化的过程C传热的自发过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程D一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解析：分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序。传热的自发过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程。一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。答案：CD题后反思一切自然过程总是沿着分子无序性增大的方向进行。系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。探究二能源和可持续发展问题导引既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？提示：能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。可见，虽然能量不会减少，但方便使用的能源会越来越少，所以要节约能源。名师精讲1对“能量耗散和品质降低” 的理解(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了。(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。2能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例按形式或转换特点分一次能源自然形成，未经加工太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能二次能源由一次能源经加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能按利用技术分常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气、水能新能源正在开发，或有新的利用方式太阳能、地热能、海洋能、沼气、风能按可否再生分可再生能源可循环使用水能、风能、生物质能、地热能不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料按对环境污染情况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、石油、天然气)3.能源的开发与利用关系图4当前我国的几大能源工程(1)“西气东输”工程是我国西部开发的重要项目之一，它是把新、蒙、甘等西部地区的天然气开发出来，通过地下输气管道送到苏、浙、沪等对能源需求量大的地区。(2)“南水北调”工程是继三峡工程之后，我国又一重大的国土建设工程，它对中国社会进步和经济持续发展的意义甚至超过了三峡工程，对我国提高水资源利用效率、合理配置资源、改善北方缺水地区的生态环境有重大的意义。(3)“西电东送”工程也是西部大开发的标志性工程，是把云、贵、川、陕等西部地区的电力资源输送到电力紧缺的粤、沪、苏、浙和京、津等地区，把西部丰富的资源优势转化为经济优势，并为东部提供清洁的电力，以促进东、西部的共同发展。(4)“热电联产”工程，既发电，又集中供热，具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电供应等综合效应。(5)长江三峡水利枢纽工程已全面建成，它每年能提供约8.471011 kWh的电能。【例题2】 下列关于能量耗散的说法，正确的是()A能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律B能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用C各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的D能量耗散导致能量品质的降低解析：能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守