高考物理 105.6 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 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 熵也是变化的 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 熵的概念 3 能量耗散 难点 1 宏观态和微观态 2 熵与微观态数目的关系 3 能量品质 一 热力学第二定律的微观意义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 选填 有 或 没有 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 分布状态即微观态 某种规则 没有 宏观 不同 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无序性 选填 增大 或 减小 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态的 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 系统的总熵不会 增大 kln 数目 无序性 孤立 减小 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 流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 的状态向无序程度 的状态的转化 是能够 发生 全额发生的 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 性 4 能量耗散虽然不会导致能量总量的减少 却会导致能量 的降低 它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 内能 较小 较大 自动 方向 品质 高品质 低品质 2 能源与环境 1 常规能源 人们把煤 等化石能源叫做常规能源 人类消耗的能源主要是常规能源 2 新能源 主要有 生物质能 风能 水能 核能等 3 环境问题 化石能源的大量消耗带来的环境问题有 效应 酸雨 光化学烟雾等 石油 天然气 太阳能 温室 判一判 1 如果一个宏观态对应的微观态比较多 说明该宏观态是比较无序的 2 熵越大 系统对应的微观态就越少 3 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会增加 4 自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展 5 能量耗散会导致能量总量的减少 也会导致能量品质的降低 它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 提示 1 一个宏观态对应的微观态比较多 说明对该宏观态要求的少 其分布是比较无序的 故 1 对 2 熵越大 系统对应的微观态就越多 因为熵是系统无序性的量度 故 2 错 3 由熵增加原理可得 一个孤立系统的总熵不会减小 故 3 错 4 根据熵增加原理 一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 即自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展 故 4 对 5 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 它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 故 5 错 热力学第二定律的微观意义1 如图所示 一个箱子被挡板分为左右两室 左室有4个气体分子 右室为真空 撤去挡板后 气体自由扩散 以箱子内4个分子为模型 说明具有哪些可能的宏观态和微观态 并用热力学第二定律说明 气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情形 提示 宏观态 左0右4 左1右3 左2右2 左3右1 左4右0 对应微观态数目 1 4 6 4 1 不同的宏观态包含着不同数量的微观态 其中分子分布的最大一种可能情况是左2右2 最小一种可能情况是左0右4或左4右0 误区警示 由于对宏观态与微观态的理解不到位 不能准确地确定宏观态及其对应的微观态 从而漏掉宏观态及其微观态 为此 教师应结合本例讲清 宏观态在本例中为a b两室中气体分子的数目 微观态为具有标号的气体分子在a b两室中的分布情况 2 试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么 左2右2 这种均匀分布的可能性最大 能否由此得出热力学第二定律的微观意义 提示 从无序的角度上看 热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的 因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化 当撤去挡板的瞬间 分子仍聚集在左室 对于左右两室这个整体来讲 这显然是一种高度有序的分布 当气体分子自由扩散后 气体系统就变得无序了 我们看到 左2右2 这种均匀分布的可能性最大 而分子集中在一个室中 另一个室变成真空的可能性最小 实际上 气体系统中分子个数相当多 因此 撤去挡板后实际上我们只能看到气体向真空中扩散 而不可能观察到气体分子重新聚集在一室的现象 因此 气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的 综上可知 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 这就是热力学第二定律的微观意义 3 怎样理解一个孤立的系统熵不会减小 提示 从微观的角度看 热力学第二定律是一个统计规律 自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展 而熵较大代表着较为无序 熵小代表有序 所以一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 知识点拨 1 用熵的概念理解热力学第二定律大量分子组成的系统自发变化时 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 任何一个孤立的系统自发变化时 系统的熵要么增加 要么不变 但不会减少 气态时的熵最大 其次是液态 固态时的熵最小 2 从四个方面理解熵 1 熵的微观意义 熵是系统内分子热运动无序性的量度 2 熵表示一个体系自由度的物理量 熵越大 表示在这个体系下的自由度越大 可能达到的状态越多 3 熵不是守恒的量 在孤立体系中经过一个不可逆过程 熵总是增加的 4 熵的本质 熵是体系微观混乱度的量度 混乱度越大 熵值也越大 探究归纳 热力学第二定律的微观意义 1 对同一系统而言 对应不同的划分条件 宏观态数目不同 系统宏观态对应的微观态数目越多 该宏观态越 无序 2 一切自然过程都遵守熵增加原理 典例1 a b两个分子分配在容器a b里共有 个微观态 每个微观态出现的几率为 那么n个分子分配在l个容器中 共有 个微观态 每个微观态出现的几率为 思路点拨 解答本题要注意以下两点 1 所有可能的微观态 它们各自出现的几率是一样的 2 有几个微观态 每个微观态出现的几率为几分之一 解析 将a b容器看做一个孤立系统 则每种分配情况可看做一个微观态 如表 那么共有4个微观态 且每个微观态出现的几率为 依次推广 可知n个分子在l个容器中共有ln个微观态 每个微观态出现的几率为 答案 4ln 变式训练 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 传热的自然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 解析 选c d 传热的过程是热量从高温物体 或部分 向低温物体 或部分 传递的过程 是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程 而不是从无序运动状态向有序运动状态转化的过程 故b错c对 大量分子的运动不可能从无序运动状态自动转化为有序运动状态 故a错 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 故d对 能源和可持续发展1 既然能量守恒 为什么还要节约能源 提示 人们在使用能源的时候 高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能 虽然能量不会减少 但能源会越来越少 所以要节约能源 2 化石能源的大量消耗会带来很多环境问题 如温室效应 酸雨 光化学烟雾等 请谈一谈它们的危害 提示 1 温室效应使两极的冰雪融化 海平面上升 淹没沿海城市 使海水倒流入河流 从而使耕地盐碱化 2 酸雨对人类是有害的 首先危害人体健康 由于酸雨可溶解空气及土壤中的重金属离子 使其变成对人体有害的物质 人饮用了这种水就会诱发各种疾病 其次使土壤酸度增加 从而危害植物的正常生长 使土壤沙化 河流湖泊酸化后就影响水生生物的生长等 严重破坏生态环境 再者酸雨是强腐蚀剂 能腐蚀建筑材料 3 光化学烟雾有毒 能引起人的多种疾病 3 请你结合生活实际 并查阅相关资料 说明新能源开发的意义 提示 随着社会的进步和生产力的飞速发展 能量的消耗也急剧增加 常规能源中的煤 石油 天然气储量有限 而且有的新能源 如风能 水能等 的利用受到很多自然条件的限制 也不可能满足人类社会对能源的需求 所以新能源的开发和利用成为当务之急 知识点拨 1 温室效应大量燃烧石油 煤炭 天然气等产生的二氧化碳气体 增大了大气中二氧化碳的含量 由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用 且像暖房的玻璃一样 只准太阳光的热辐射进来 不让室内长波热辐射出去 使地球气温上升 这种效应叫 温室效应 2 酸雨酸雨是指ph小于5 6的雨 雪或其他形式的大气降水 形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油 以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫和氮氧化物 通过化学反应分别转化成硫酸和硝酸 混入雨水和雪水中 使其酸度增加 探究归纳 能源与可持续发展 1 由于能源使用时 能量品质降低 所以应节约能源 2 化石能源的大量消耗给环境带来大量问题 开发新能源势在必行 典例2 关于能源的开发和利用 下列说法中正确的是 a 无节制地利用能源 是一种盲目的短期行为b 根据能量守恒定律 能源是取之不尽 用之不竭的c 能源在开发和利用的同时 必须加强对环境的保护d 不断开发新能源 是缓解能源危机的主要途径 思路点拨 解答本题要注意以下两点 1 在任何情况下总的能量是守恒的 但能源是有限的 必须节约能源 2 能量耗散是指能量品质降低 应开发新能源和加强环境保护 解析 选a c d 由于能源是有限的 必须合理利用能源 故a对 尽管能量是守恒的 但在使用过程中会有能量耗散即品质降低 故b错 能源利用推动人类进步和社会发展的同时 使人类生存的环境遭到破坏 必须加强环境保护 故c对 开发和利用新能源 能缓解常规能源的不足 故d对 变式训练 下列关于能量耗散的说法 正确的是 a 电能通过灯泡中的灯丝转化为光能属于能量耗散b 火炉把房子烤暖属于能量耗散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降低 解析 选b c d 能量耗散是指其他形式的能转化为内能 最终流散到周围环境中无法重新收集并加以利用的现象 故a错b对 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 遵守能量守恒定律 但使得能量品质降低 故d对 其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能 但相反过程却不能够全额进行 c对 温馨提示 本节内容不是考查重点 但是我们应该联系生活实际 知道节约能源 开发 利用新能源和环境保护之间的关系 典例 2011 泰安高二检测 关于温室效应 下列说法中正确的是 a 温室效应使得土壤酸化b 温室效应使得地面气温升高 两极冰雪融化c 太阳能源源不断地辐射到地球上 因此产生了温室效应d 石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量 由此加剧了温室效应