热力学第二定律的微观解释

1 / 11 热力学第二定律的微观解释 本资料为 WoRD文档，请点击下载地址下载全文下载地址莲山课 件 k 选修 3-3 第十章 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展 一、教材分析 热力学第二定律以宏观事实为基础，告诉我们热学现象和热学过程应该遵循的规律，本节要从微观的角度说明，为什么涉及热运动的宏观过程会有这样的方向性。 二、教学目标 1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。 2.了解热力学第二定律的微观意义。 3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。知道随着条件的 变化，熵是变化的。 4.理解能量耗散和品质降低的概念。 .理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。 5.了解常规能源的使用带来的环境污染。 .了解开发新能源的方法和意义。 2 / 11 三、教学重难点 1.了解热力学第二定律的微观意义。 2.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。 3.理解能量耗散和品质降低的概念。 四、学情分析 学生掌握了热力学第二定律，但不知道它的微观解释。本节中的概念 “ 有序 ” 、 “ 无序 ” 、 “ 熵 ” 不易理解。热力学第二定律的微观解释较抽象。 “ 能源和可持续发展 ” 内容简单，易于掌握 。 五、教学方法 思考、讨论、总结发言，多媒体。 六、课前准备 预习学案阅读课本 七、课时安排 1 课时 八、教学过程 （一）预习检查、总结疑惑 （二）情景引入、展示目标 （三）合作探究、精讲点拨 1.有序和无序 有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。 无序：不符合某种确定规则的称为无序。 无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。 3 / 11 有序和无序是相对的。 2.宏观态和微观态 宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。 微观态：在宏观状态下， 符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。 系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个 “ 宏观态 ” 对应的 “ 微观态 ” 比较多，就说这个 “ 宏观态 ” 是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性 从有序到无序。 3.热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 4.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序 (混乱 )程度的定量量度。 一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中， 系统的熵是增加的。 在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。 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4 / 11 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。 典例探究 例：一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？ 解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所 以系统的熵增加。 友情提示：本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。 1.能量耗散：系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散。 2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。 能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。 3.能源：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。 常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水力等。 4.能源危机与环境污染 (1).近一百年，地球人口由 16亿增加到目前的 50 亿，净增5 / 11 了 2 倍多，而能源消耗据统计却增加了 16 倍。按目前的消耗量，专家预测石油、天然气最多只能维持半个世纪，煤炭尚可维持一二百年。 (2).能源利用的过程也直接污染着地球环境 温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致 “ 温室效应 ” ，造成地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。 酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破 坏生态平衡。同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。 臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害。 5.新能源的开发 （ 1） .新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、6 / 11 海洋能、氢能等。 （ 2） .无 穷无尽的太阳能： 九、板书设计： 热力学第二定律的微观意义： 1.有序和无序 2.热力学第二定律的微观意义： 3.熵增加原理 能源和持续发展： 1.能量耗散： 2.品质降低： 3.能源： 十、教学反思 能源和环境是社会关注的两个问题。通过本节的学习，是学生理解这两个社会问题产生的原因，使学生理解开发利用清洁能源的价值，让学生提高科学观念，提高社会责任感。 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展学案 一、预习目标： 1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。 2.了解热力学第二定律的微观意义。 3.了解熵的概念，知道随着条件的变化，熵是变化的。 4.理解能量耗散和品质降低的概念，能源的利用实际上是能7 / 11 量的转化和转移过程。 5.了解常规能源的使用带来的环境污染。 二、预习内容： （一）热力学第二定律的微观解释： 1.有序和无序 有序：。 无序：。 2.热力学第二定律的微观意义： 。 3.熵和系统内能一样都是一个函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序 (混乱 )程度的定量量度。 一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在 自然过程中，系统的熵是增加的。 熵增加原理的内容：。 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。 （二）能源和持续发展： 1.能量耗散：。 2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式8 / 11 叫品质降低。 能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。 3.能源：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。 常规能源：指已被广泛应用 的能源，如煤、石油、天然气、水力等。 三、提出疑惑、 课内探究学案 一、学习目标 1.理解热力学第二定律的微观意义。了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。 2.理解能量耗散和品质降低的概念。 二、学习过程 典例探究 例 1 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？ 解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。 9 / 11 例 2.某地的平均风速为 5m/s，已知空气密度是 /m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为 12m的圆面，如果这个风车能将此圆内 10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？ 解析：首先可以求出在时间 t 内作用于风车的气流质量为m=r2t ，这些气流的动能为 m2 ；转变的电能为，故风车带动发电机发电的功率为 代入数据以后得 P= 友情提示：从能量守恒定律入手，注意能量转移的方向性是解答本题的关键。 例某地的平均风速为 5m/s，已知空气密度是 /m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为 12m 的圆面，如果这个风车能将此圆内 10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？ 解析：首先可以求出在时间 t 内作用于风车的气流质量为m=r2t ，这些气流的动能为 m2 ；转变的电能为，故风车带动发电机发电的功率为 代入数据以后得 P= 友情提示：从能量守恒定律入手，注意能量转移的方向性是解答本题的关键。 三、反思总结 10 / 11 四、当堂检测 1.一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？ 2.保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化？ 增加 3、 .能源可划为一级能源和二级能源。自 然界以现成形式提供的能源称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效而没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取： 2H2o=2H2+，下列叙述正确的是（） A.电能是二级能源 B.水力是二级能源 c.天然气是一级能源 D.焦炉气是一级能源 课后练习与提高 1、 .下面的叙述中正确的是（） 不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化 所谓 “ 能源 ” ，指的就是能够提供可利用能量的物 质