2019-2020学年高中物理 第十章 热力学定律 5+6 能源和可持续发展课件 新人教版选修3-3

5热力学第二定律的微观解释6能源和可持续发展学习目标素养提炼1.知道有序和无序、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，了解熵的概念及用熵的概念表示的热力学第二定律．3．认识能源和环境与人类生存的关系，知道可持续发展的重大意义，增强保护环境的意识.物理观念：无序、有序、宏观态、微观态、能源、能源耗散．科学思维：熵增加原理的应用、能源的分类．科学态度与责任：增强保护环境的意识、节约能源.01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升04课时跟踪训练一、热力学第二定律的微观解释1．有序和无序(1)有序：一个系统的个体按确定的____________，有顺序地排列．(2)无序：个体分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”．2．两种状态宏观态：系统的状态.微观态：系统内个体的不同分布状态.某种规则宏观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________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，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．(2)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵___________．增大klnΩ无序性不会减小[判断辨析](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．()(4)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小．()×√××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)的能量转化为内能，成为更加分散因而也是无序度更大的能量，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象．(2)能量品质的降低：能量从____________的形式降级为___________的形式，能量在利用过程中，总是由______品质的能量最终转化为______品质的内能．高度有用不大可用高低2．能源和环境常规能源：煤、石油、天然气等能源环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾新能源：太阳能、生物质能、风能等[思考]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内能.要点一热力学第二定律的微观意义[探究导入]如图所示，一幅是阅兵式的图片，另一幅是清明上河图(局部)，从这两幅图中我们看出了什么？提示：阅兵式较有序，清明上河图较无序．[探究归纳]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．(2)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，总是从高温物体传递给低温物体．(3)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．(4)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(1)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．(2)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．[典例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．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的转化过程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[思路点拨]解答该题应理解热力学的微观意义和熵增加原理．[解析]显然选项A的说法是错误的，对大量分子来讲，这种从无序运动自动地转变为有序运动的可能性几乎没有；选项B的错误在于大量分子初始状态的运动也不是有序的；选项C、D的说法正确．[答案]CD处理热力学第二定律以及热现象的进行方向问题时，要注意概念的区分，例如有序、无序，宏观态、微观态、无序程度．要理解热力学第二定律的实质，即一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行．1.(多选)对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法正确的是()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：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．答案：AC2．(多选)下列现象能够发生，并且不违背热力学第二定律的有()A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，而不产生其他影响C．桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体解析：A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生．C中系统的势能减少了，D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生．答案：CD要点二能源和可持续发展[探究导入]说明下列能源利用方式中的能量转化过程是怎样的？(1)水力发电；(2)电动水泵抽水；(3)柴油机牵引列车前进；(4)火箭发射人造卫星．提示：(1)水力发电是将水的机械能转化为电能．(2)电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能．(3)柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能，再转化为列车的机械能．(4)火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能．[探究归纳]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成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过加工转换而成焦炭、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、沼气能、风能能源分类方法能源分类名称特点举例按可否再生分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、天然气按对环境污染情况分清洁能源对环境基本没有污染太阳能、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.能源对环境的影响(1)常规能源对环境的影响：石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升，海水倒灌、耕地盐碱化……这些都是人类过度开发自然所产生的严重问题．(2)做好环境保护工作：目前的任务是采用能源新技术，解决突出的环境污染问题．例如，城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；提高汽车发动机效率，解决尾气问题，达到废气“零排放”；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等，变废为宝．4．开发新能源常规能源的有限和其对环境的污染，都促使人类加紧新型能源的开发和利用，这些新型能源如风能、水能、太阳能、核能、生物质能等的优点是能量丰富，环境污染小．(1)太阳能：是取之不尽、用之不竭的．同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境．(2)生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能．(3)风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”．我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电．(4)水能：水是可再生的．水电对环境的影响比火电小，发电成本低．[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[解析]能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品质降低即不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B选项错．[答案]B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)能源是能够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．3．在丹麦首都哥本哈根召开的世界气候大会上，中国承诺2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现作为负责任大国的承诺，我们应当大力开发和利用下列能源中的()A．石油B．太阳能C．天然气D．煤炭解析：太阳能是一种洁净能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡，而其他三种能源在使用时都会有大量二氧化碳和一氧化碳排放到大气中．答案：B4．(多选)下列说法正确的是()A．能量耗散过程中能量仍守恒B．热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体C．能量耗散说明能量不会凭空产生，但可以凭空消失D．对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”解析：能量守恒是自然界的规律之一，选项A正确；由热力学第二定律可知选项B正确；由能量守恒定律可知选项C错误；自然界的总能量是守恒的，只是有的能源转化成其他形式的能之后，不能再重新被利用，导致可利用的能源越来越少，从而形成能源危机，故D错误．答案：AB1．(热力学第二定律的微观意义)下列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会减小解析：热力学第二定律是一个统计规律，A对；从热力学第二定律的微观实质看，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、C错；任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，故D错．答案：A2．(熵增加原理)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解析：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．答案：B