人教版高中物理选修331056《热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展》word学案.docx

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人教版高中物理选修331056《热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展》word学案

学案5　热力学第二定律的微观解释

学案6　能源和可持续发展

[目标定位]1.了解有序和无序是相对的，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.2.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.3.了解能量耗散、能源和环境．

一、热力学第二定律的微观意义

[问题设计]

1.如图1所示，一个箱子被挡板均匀分为左、右两室，左室有4个气体分子a、b、c、d，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况．

图1

答案　可能的宏观态有：

左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；对应的微观态数目：

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.

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？

答案　从无序的角度看，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、右两室这一个整体来讲，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，当气体系统中分子个数相当多时，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中的现象．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，一切自发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．

[要点提炼]

1．正确理解宏观态和微观态

规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同．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．

2．热力学第二定律的微观意义

我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的宏观态．自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的．

3．熵及熵增加原理

（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，则

S＝kln_Ω，式中k叫做玻耳兹曼常量．

（2）熵增加原理

在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．这就是熵增加原理，也是热力学第二定律的另一种表述．

二、能源和可持续发展

[问题设计]

1．流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？

答案　内能

2．化石能源的大量消耗会带来哪些环境问题？

答案　温室效应、酸雨、光化学烟雾等．

[要点提炼]

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，分散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象．

（2）能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性．

（3）能量耗散虽然不会使能量的总量减少，却会导致能量品质的降低（填“降低”或“提高”），它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大有用的形式．

2．能源和人类社会发展

（1）常规能源

①常规能源：

煤、石油、天然气

②对环境的危害

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”．排入大气中的污染物在太阳紫外线照射下发生光化学效应，形成二次污染物“光化学烟雾”．煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”．

（2）开发新能源

新能源有太阳能、风能、核能、生物质能等，它们的特点是：

污染少、可再生、资源丰富．

一、热力学第二定律的微观意义

例1

　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．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行

解析　分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观状态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，而不是变得有序．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．

答案　CD

例2

　下列关于熵的说法中错误的是（　　）

A．熵是系统内分子运动无序性的量度

B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的

C．热力学第二定律也叫做熵减小原理

D．熵值越大代表着越无序

解析　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，这就是热力学第二定律的微观意义．系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程．自然过程的方向性可以表述为：

在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理．因此A、B、D说法正确，C说法错误．

答案　C

二、能量耗散和可持续发展

例3

　下列对能量耗散理解正确的是（　　）

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　在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终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，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它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，B、D对．

答案　BD

例4

　以下说法正确的是（　　）

A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能

B．汽油是一种清洁能源

C．水能是可再生能源

D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的

解析　煤、石油、天然气等是动、植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，A对；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的产生，B错；水能是可再生能源，C对；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D错．

答案　AC

1．（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

答案　A

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、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．所以选A.

2．（熵）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

答案　AC

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，故选项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，故选项C正确，D错误．

3．（能量耗散）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方向性

答案　CD

解析　能量耗散说明能量转化的宏观过程具有方向性，符合热力学第二定律，B错误，D正确；能量耗散过程中，能量并没有消失，能量仍然守恒，A错误，C正确．

4．（可持续发展）下列供热方式最有利于环境保护的是（　　）

A．用煤做燃料供热

B．用石油做燃料供热

C．用天然气或煤气做燃料供热

D．用太阳能灶供热

答案　D

解析　煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有的粉尘、一氧化碳、二氧化硫等污染了大气．而太阳能是一种无污染的能源，应大为推广，故答案应选D.

题组一　热力学第二定律的微观意义

1．下列说法中正确的是（　　）

A．机械能和内能之间的转化是可逆的

B．气体向真空的自由膨胀是可逆的

C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较有序的

D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的

答案　D

2．对“覆水难收”的叙述正确的是（　　）

A．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较少，较为有序

B．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较多，较为无序

C．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较多，较为无序

D．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较少，较为有序

答案　AC

3．下列说法中正确的是（　　）

A．一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的

B．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

C．一切与热现象有关的宏观过程都是可逆的

D．一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动有序程度增大的方向进行

答案　AB

4．关于熵，下列说法中正确的是（　　）

A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高

B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高

C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序

D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序

答案　AD

5．下列关于熵的观点中正确的是（　　）

A．熵越大，系统的无序度越大

B．对于一个不可逆的绝热过程，其熵增大

C．气体向真空扩散时，熵值减小

D．自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多很多

答案　ABD

解析　熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，A正确．不可逆的绝热过程，其宏观态对应的微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，B正确．气体向真空中扩散时，无序度增大，熵值增大，C错误．自然过程中，无序度较大的宏观态出现的概率较大，因为通向无序的渠道多，D正确．

6．如图1所示，质量、温度相同的酒精，分别处于气态、液态和固态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？

为什么？

图1

答案　S固

解析　根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：

由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，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．质量相同、温度相同的酒精，可以由固态自发地向液态、气态转化，所以，气态的酒精熵最大，其次是液态，固态时熵最小．

题组二　能量耗散和可持续发展

7．下列关于能量耗散的说法中正确的是（　　）

A．能量耗散使能量的总量减少，违背了能量守恒定律

B．能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用

C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动发生、全额发生的

D．能量耗散导致能量品质的降低

答案　BCD

8．下列现象属于能量耗散的有（　　）

A．利用水能发电转化为电能

B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能

C．电池的化学能转化为电能

D．火炉把房子烤暖

答案　D

解析　能量耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的能不能称为能量耗散．本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等．只有当用电灯照明时的光能被墙壁吸收之后变为周围环境的内能，才无法重新收集并加以利用，但本题没有指明该光能用来做什么，故不能算能量耗散．火炉把房子烤暖后使燃料的化学能转化成内能并流散在周围的环境中，无法重新收集并加以利用，属于能量耗散．

9．能源利用的过程实质上是（　　）

A．能量的消失过程

B．能量的创造过程

C．能量的转化和转移过程

D．能量的转化、传递并且逐渐消失的过程

答案　C

解析　能源利用的过程是做功或热传递的过程，前者是能量的转化，后者是能量的转移．

10．下列说法正确的是（　　）

A．人的学习过程随着知识的逐渐积累，引起认知系统总熵值减小

B．人的学习过程随着知识的逐渐积累，引起认知系统总熵值增加

C．因为能量守恒，所以无需节约能源

D．热机中的内能可以全部用来做功

答案　A

解析　人学习知识积累的过程不能自发进行，而要靠人的主观能动性，故知识积累越多，有序程度越大，认知系统的总熵值越小．热机效率不可能达到百分之百．虽然能量守恒但却有能量耗散，故仍需节约能源．

11．煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境．最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气（一氧化碳及氢气总含量≥90%），把煤“吃干榨尽”．下列有关说法中正确的是（　　）

A．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化

B．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化

C．该技术实现了煤的清洁利用

D．该技术实现了煤的高效利用

答案　ACD

解析　煤粉加压汽化制备合成气过程中既有物理变化，又有化学变化，A正确；该技术使煤得以良好利用又环保，C、D正确，故选A、C、D.

12．酸雨对植物的正常生长影响很大，为了减少酸雨的影响，应采取的措施是（　　）

①少用煤作燃料　②燃料脱硫　③在已经酸化的土壤中加石灰　④多种植美人蕉、银杏等植物　⑤开发新能源　⑥多种植法国梧桐、柠檬等植物

A．①②④⑤B．①②⑤⑥

C．①②③④⑤D．①②③⑤⑥

答案　A

解析　酸雨主要是由煤、石油等燃料燃烧所释放的SO2和氮氧化物在降水过程中溶入雨水形成的．因而为减少酸雨的影响，少用煤作燃料和燃料脱硫是有效的方法．开发新能源也是减少煤使用量的方法，另外美人蕉和银杏对SO2有较强的吸收能力，所以①、②、④、⑤正确，应选A.

13．CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加，能使地表温度因受太阳辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样．因此，大气中CO2浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖．

（1）这种大气中以CO2为主的气体产生的效应称为（　　）

A．光热效应B．光电效应

C．光气效应D．温室效应

（2）导致大气中CO2浓度增加的主要原因是（　　）

A．大量植物和生物物种灭绝

B．大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧

C．人口剧增，呼出的二氧化碳增多

D．自然因素破坏了地球环境生态平衡

（3）为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有（　　）

A．禁止使用煤、石油和天然气

B．开发使用核能、太阳能

C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气

D．植树造林

答案　

（1）D　

（2）B　（3）BD

解析　大气中CO2浓度的增加，导致了温室效应；为了缓解这种局面，一方面要尽量少使用煤、石油等常规能源，另一方面要开发利用新能源并植树造林改善环境．