高考物理 105.6 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展课件 新人教版选修33.ppt

5 6热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展 1 了解有序和无序 宏观态和微观态的概念 2 知道宏观态与微观态 知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系 3 知道熵的概念 了解熵增加原理 知道它是热力学第二定律的另一种表述 4 了解什么是能量耗散和品质降低 了解能源与人类社会 环境的关系 重点 1 热力学第二定律的微观意义 2 能源耗散和新能源开发 难点 1 对熵和熵增加原理的理解 2 能源品质降低与人类社会发展的关系 一 热力学第二定律的微观解释1 有序 无序 一个系统的个体按确定的 有顺序地排列即有序 个体分布 确定的要求 怎样分布都可以 即无序 2 宏观态 微观态 系统的 状态即宏观态 系统内个体的 状态即微观态 某种规则 没有 宏观 不同分布 3 热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的 增大的方向进行 4 熵及熵增加原理 1 熵 表达式s k表示玻耳兹曼常量 表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目 s表示系统内分子运动 的量度 称为熵 2 熵增加原理 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵 无序性 kln 无 序性 不会减小 判一判 1 大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动 2 热传递的自然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 3 熵值越大代表着越有序 提示 1 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 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 1 错 2 热传递的自然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 2 对 3 一切与热现象有关的宏观自然过程都沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 即熵值越大代表分子运动越无序 3 错 二 能源和可持续发展1 能量耗散和品质降低 1 能量耗散 有序度较高 集中度较高 的能量转化为 成为更加分散因而也是无序度更大的能量 分散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象 2 各种形式的能量向内能的转化是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化 是能 全额发生的 内 能 自动发生 3 能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有 4 能量耗散虽然不会导致能量总量的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高品质形式降级为不大可用的低品质形式 方向性 2 能源和环境 种类 煤 天然气等常规能源 石油 环境问题 温室效应 光化学烟雾 新能源 生物质能 风能等 酸雨 太阳能 想一想 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 热力学第二定律的微观意义 探究导引 如图所示 一个箱子被挡板分为左右两室 撤去挡板后 气体自由扩散 以箱子内4个分子为模型 思考以下问题 1 这4个分子的分布具有哪些可能的宏观态和微观态 2 怎样从微观方面解释热力学第二定律 3 怎样用熵的概念表述热力学第二定律 要点整合 1 热力学第二定律的微观解释 1 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要大于低温物体 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了 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了 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 2 换一种角度看 初始状态我们根据温度的高低来区分两个物体 而终了状态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 3 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 又常常被称为 时间箭头 3 熵和熵增加原理 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 就称这个系统的熵越大 2 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 从熵的意义上来说 系统自发变化时 总是向着熵增加的方向发展 不会使熵减小 3 任何宏观物质系统都有一定量的熵 熵也可以在系统的变化过程中产生或传递 特别提醒 1 熵较大的宏观状态就是无序性较大的宏观状态 也就是出现概率较大的宏观状态 在自然过程中熵总是增加的 其原因并非因为有序是不可能的 而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多 2 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度更大的方向发展 如果变化过程可逆 则熵不变 如果变化过程不可逆 则熵增加 典例1 下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是 a 从微观的角度看 热力学第二定律是一个统计规律b 一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行c 有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行 有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行d 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会减小 思路点拨 解答本题时要根据熵增加原理判断各项中无序程度如何变化 规范解答 选a d 从热力学第二定律的微观本质看 一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行 我们知道热力学第二定律是一个统计规律 故a对 b c错 任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行 也就是朝着熵增加的方向进行 故d对 所以选a d 总结提升 有序及无序过程的判断 1 解此类题目要理解好有序和无序 确定某种规则 符合这个规则的就是有序的 不符合这个规则和要求的分布是无序的 2 无序意味着各处平均没有差别 而有序则相反 是按照某种规则排列的 有序与无序是相对的 变式训练 对于孤立体系中发生的实际过程 下列说法中正确的是 a 系统的总熵只能增大 不可能减小b 系统的总熵可能增大 可能不变 还可能减小c 系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展d 系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展 解析 选a c 在孤立体系中发生的实际过程 其系统的总熵是增加的 它不可能减小 故a正确 b错误 根据熵增加原理 该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展 故c正确 d错误 能源及其分类 探究导引 根据以上图片 思考以下问题 1 能源与能量的含义相同吗 2 你知道哪些能源为不可再生能源 哪些能源为可再生能源吗 3 你知道国家为何提倡节能减排吗 要点整合 能源的分类 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 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 核能 地热能 海洋能 沼气 风能 可再生能源 可循环使用 不断补充 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 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 特别提醒 大量能量的使用不会使能的总量减少 却会导致能量品质的降低 将能量从高度有用的形式降为不再可用的形式 所以要节约能源 典例2 关于能源的开发和节约 你认为下列哪些观点是错误的 a 常规能源是有限的 无节制地利用常规能源 如石油之类 是一种盲目的短期行为b 根据能量守恒定律 担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现c 能源的开发和利用 必须要同时考虑其对环境的影响d 通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径 思路点拨 能源是有限的 要有计划地使用 无限制使用常规能源会严重破坏环境 规范解答 选b 能量虽然守恒 但耗散的能量无法重新收集利用 所以能源是有限的 特别是常规能源 故a的观点正确 b的观点错误 能源的开发和利用 不能以破坏环境为代价 故c的观点正确 合理开发和利用新能源可以缓解能源危机 故d的观点正确 总结提升 能量与能源的区别 1 能量是守恒的 既不会增加也不会减少 2 能源是可以提供可利用能量的物质 3 能量耗散 能量总量不变 但能量品质会下降即能源减少 故我们要节约能源 变式训练 下面关于能源的说法中正确的是 a 能源是取之不尽 用之不竭的 尽量使用即可b 大量消耗常规能源会使环境恶化 故提倡不利用能源c 能量的利用过程实质上是能量的创造 消失过程d 能量的利用过程实质上是能量的转化和转移过程 解析 选d 虽然能量的利用过程能的总量保持不变 但能量的品质会逐渐降低 可利用的能源会逐渐减少 所以应节约能源 a b错 能量的利用过程的实质是能量的转化和转移 而不是能量的创造 消失 c错 d对 变式备选 下列对能量耗散的理解正确的有 a 能量耗散说明能量在不断减少b 能量耗散遵守能量守恒定律c 能量耗散说明能量不能凭空产生 但可以凭空消失d 能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 解析 选b d 在发生能量转化的宏观过程中 其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能 无法再回收利用 这种现象叫能量耗散 能量耗散并不违反能量守恒定律 宇宙的能量既没有减少 也没有消失 它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 故a c错 温馨提示 关于热力学第二定律的微观解释及能源的开发利用 通常都是结合科学发展观进行考查 考查形式以选择题和简答题为主 题目难度适中 典例 下列关于熵的有关说法正确的是 a 熵是系统内分子运动无序性的量度b 在任何过程中熵总是增加的c 热力学第二定律也叫做熵减小原理d 熵值越大表示系统越有序 思路点拨 熵是反映系统无序程度的物理量 熵越大 无序程度越大 一个孤立的系统熵永远不会减小 规范解答 选a 根据熵的定义知a正确 从熵的意义上说 系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展 但人为干预的过程或非独立系统熵有可能减少 b错误 热力学第二定律也叫熵增加原理 c错误 熵越大 系统越混乱 无序程度越大 d错误 故选a 关于热力学第二定律微观意义的理解从微观角度分析 热力学第二定律是一个统计规律 大量分子的无规则运动总是向着无序性增大的方向变化 例如热传递 扩散现象 最终的结果总是导致无序程度增加 案例展示 关于热力学第二定律的微观意义 下列说法正确的是 a 大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动b 热传递的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c 热传递的自然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 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行