2020版高中物理 第10章 热力学定律 5 热力学第二定律的微观解释 6 能源和可持续发展课件 新

第十章热力学定律5热力学第二定律的微观解释6能源和可持续发展2[学习目标]1.知道有序和无序，宏观态和微观态的概念．(重点)2.知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系．知道热力学第二定律的微观意义．(重点)3.掌握熵的概念，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述．(难点)4.知道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．(难点)3自主探新知预习4一、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______________状态即微观态．某种规则没有宏观个体的不同分布53．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__________的方向进行．4．熵表达式S＝__________，k表示玻耳兹曼常量，Ω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．5．熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会____．无序性增大klnΩ无序性减小6二、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．内能较小较大自动7(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．方向品质高品质低品质82．能源与环境(1)常规能源：人们把煤、____、______等化石能源叫作常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源．(2)新能源：主要有____能、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．石油天然气太阳温室91．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)熵越小，系统对应的微观态就越少．()(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)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动．()(4)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的．()(5)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低．()√√×××102．(多选)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．热传递的自发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E．从微观的角度看，热力第二定律是一个统计定律11CDE[热力学第二定律的微观意义明确指出：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以选项C、D正确；热力学第二定律是一个统计规律，故E正确．]123．(多选)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象．所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用．下列关于能量耗散的说法中正确的是()A．能量耗散说明能量不守恒B．能量耗散不符合热力学第二定律C．能量耗散过程中能量仍守恒D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性13CD[能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰符合热力学第二定律，故C、D对．]14合作攻重难探究15热力学第二定律的微观解释1．热力学第二定律的微观解释(1)热传递过程：从宏观上看，热量自发地从高温物体传到低温物体；从微观角度看，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢，低温物体中的分子运动加快，到温度相同时，两个物体分子的平均动能相同，热传导这个不可逆过程使分子热运动的无序程度增加了．16(2)功转变为热：从宏观上看是机械能或其他形式的能量转化为内能的过程；从微观上看，机械运动中大量分子主要都沿同一方向运动，转变为热运动，分子杂乱无章地向各个方向运动，因此是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程．(3)热力学第二定律的微观本质：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．172．熵(1)熵的概念：物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：S＝k·lnΩ，式中k叫作玻耳兹曼常数．18(2)熵是状态量：熵是热力学中一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，常用S表示．熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度．熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小．193．熵增加原理(1)熵是无序程度的量度：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度．使其熵值达到最大值．20(2)热力学系统演化的方向性：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少，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式．如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加，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．21【例1】(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是()A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计定律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．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．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E．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小22ACE[热力学定律是一个统计规律，A项正确；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，B项错误；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，而不是变成了无序，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．任何自然过程总是向熵增加的方向进行，C、E项正确，D项错误．]23热力学第二定律的微观解析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．241．(多选)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有序的状态发展25AC[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，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．]26能源和可持续发展1．如何正确理解能量耗散和品质降低(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．27(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．282．能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例一次能源自然形成，未经加工太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能按形式或转换特点分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29常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气、水能按利用技术分新能源正在开发，或有新的利用方式太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能30可再生能源可循环使用水能、风能、生物质能、地热能按可否再生分不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料31清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能按对环境污染情况分污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、石油、天然气)32【例2】(多选)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33BCD[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，故选项A错误，选项D正确；耗散的内能无法再被利用，选项B正确；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，选项C正确．故选B、C、D.]34能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性．352．(多选)下列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B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源D．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大36BC[尽管能量守恒，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，A错，B对；常规能源的利用比新能源核能的利用对环境影响大，C对，D错．]37课堂小结知识脉络1.有序和无序，宏观态和微观态的概念.2.热力学第二定律的微观意义.3.熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述.4.能量耗散和能量品质降低.38当堂固双基达标391．已知一个系统的两个宏观态甲、乙，及对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是()A．甲比较有序，乙比较无序，甲→乙B．甲比较无序，乙比较有序，甲→乙C．甲比较有序，乙比较无序，乙→甲D．甲比较无序，乙比较有序，乙→甲40A[一个宏观态对应微观态的多少标志着宏观态的无序程度，从中还可以推知系统自发的方向，微观态数目越多，表示越无序，一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行，A项正确，B、C、D项错误．]412．下面关于熵的说法错误的是()A．熵是物体内分子运动无序程度的量度B．在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向减少的方向进行C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的D．熵值越大，代表系统分子运动越无序42B[熵是物体内分子运动无序程度的量度，熵值越大，代表系统分子运动越无序，A、D正确；在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向增加的方向进行，B错误；热力学第二定律又可表述为一切自然过程都遵守熵增加原理，其微观实质是熵增加，C正确．]433．下列说法正确的是()A．能量耗散说明能量在不断减少B．能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性C．热量不可能从低温物体传给高温物体D．根据热力学第二定律，在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能44B[能量耗散是指能量的可利用率越来越低，由于能量守恒，故能量不会减少，选项A错误；根据热力学定律可知，与热现象有关的宏观自然过程有其方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，选项B正确；根据热力学第二定律可知，能量转化和转移具有方向性，热量不能自发地从低温物体传给高温物体，但可以借助其他办法实现，选项C错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为化学能—内能—机械能—电能，因为内能—机械能的转化过程中会对外放