2020版导与练人教版选修3-3-第十章热力学定律5-热力学第二定律的微观解释6-能源和可持续发展课件.ppt

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1、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,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.,课前预习,课堂探究,随堂演练,课前预习 掌握新知,知识梳理,一、热力学第二定律的微观解释1.有序和无序有序:确定了某种,系统符合这个规则的就是有序的.无序:一个系统中,对个体的分布 确定的要求,“怎样分布都可以”,这样的分布是无序的.有序和无序是 的.按照某种规则,个体分布是有序的,但若按另一种规则要求,有些个体就可能

2、是 的.无序意味着对每个个体各处都一样、平均、没有差别;而有序则相反.,规则,没有,相对,无序,2.宏观态和微观态宏观态:一个系统整体所处的状态就叫做宏观态.微观态:宏观态系统内部各个体的不同 状态就叫微观态,一个“宏观态”往往对应有多个“微观态”,对应的“微观态”越多,就说这个“宏观态”无序度.3.热力学第二定律的微观解释一切自发过程总是沿着分子热运动的 增大的方向进行.,分布,越大,无序性,4.熵(1)熵的概念物理学中用字母表示一个宏观状态所对应的微观状态的,用字母S表示熵,有S=kln,式中k叫做玻耳兹曼常量.注:既然微观态的数目是分子运动无序性的一种量度,由于越大,熵S也越大,那么熵S

3、自然也是系统内分子运动 的量度.(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.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.,数目,无序性,减小,内能,(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.2.能源与环境(1)常规能源:人们把煤、等化石能

4、源叫做常规能源,人类消耗的能源主要是常规能源.,较小,较大,自动,方向,品质,高品质,低品质,石油,天然气,(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.,太阳,温室,科学思维,1.思考判断,(1)熵越小,系统对应的微观态就越少.()(2)在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会增加.()(3)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动.()(4)能量耗散会导致总能量的减少,也会导致能量品质的降低.()(5)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.()(6)既然能量

5、是守恒的,那么人类就没必要节约能源.(),2.思维探究,(1)质量相同、温度相同的水,如图所示,分别处于固态、液态和气态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系?为什么?,答案:质量相同、温度相同的水,可以由固态自发地向液态、气态转化.所以,气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小.,(2)既然能量守恒,为什么还要节约能源?,答案: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不大可用的低品质的内能.虽然能量不会减少,但能源会越来越少,所以要节约能源.,(3)如图所示是锅炉工作时的外景,从节约能源和环境保护角度来看,存在的主要问题是什么?,答案:由题图中的浓烟滚滚,可以发现存在的主要问题

6、有两个:一是燃料燃烧不充分,且烟气带走大量的热量,造成能量损失;二是造成大气污染.,要点一热力学第二定律的微观解释,课堂探究 突破要点,探究导学,1.如图所示,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.,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

7、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,撤去挡板后我们只能看到气体向真空中扩散,而不可能观察到气

8、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.,要点归纳,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,这个系统的熵就越大.2.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,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程度更大的方向发展.3.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,

9、一个孤立系统的熵永远不会减少,这就是熵增加原理.,例1(多选)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,AD,解析: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正确,B,C错误.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,故D正确.,学霸笔记,对熵的四点

10、理解(1)熵的微观意义:熵是系统内分子热运动无序性的量度.(2)熵是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.,解析:由热力学第二定律的微观意义知,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.故C,D正确,A,B错误.,(教师备用)例1-1(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转化的过

11、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,CD,针对训练1(多选)下列关于熵的说法中正确的是()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总熵不会减小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:自然过程的方向性可以表述为:在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,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.,ABD,要点二能源和可持续发展,探究导学,(1)能源与能量的含义相同吗?,答案:不相同.能量是守恒的,既不会增加

12、也不会减少;能源是可以提供可利用能量的物质.,(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?,答案:不可再生能源:煤、石油、天然气等;可再生能源:水能、风能、生物质能、地热能等.,(3)你知道国家为何提倡节能减排吗?,答案: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大可用的形式,所以要节约能源.,要点归纳,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、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

13、散虽然不会使能量的总量减少,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)常规能源常规能源:煤、石油、天然气.,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.,例2(多选)关于能源的开发和利用,下列观点正确的是()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

14、律,能源是取之不尽、用之不竭的C.能源的开发和利用,必须同时加强对环境的保护D.不断开发新能源,是缓解能源危机的主要途径,ACD,解析:能源是有限的,必须合理利用能源,A正确;尽管能量守恒,但使用过程中会有能量耗散及品质降低,常规能源并不是取之不尽,用之不竭的,B错误;能源利用推动人类进步的同时会破坏人类生存的环境,必须加强环境保护,C正确;开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足,D正确.,学霸笔记,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,能源的利用过程存在能量耗散现象,能量耗散使得能量品质下降即能源减少,故我们要节约能源.,解析:尽

15、管能量守恒,但耗散的能量无法重新收集起来并加以利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,故A错误,B正确.常规能源的利用比新能源如太阳能、风能、核能的利用对环境影响大,故C正确,D错误.,BC,(教师备用)例2-1(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,针对训练2(多选)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、

16、用之不竭的,AC,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正确;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错误;水能是可再生能源,C正确;煤、石油等存储量是有限的,是不可再生能源,D错误.,随堂演练 检测效果,1.(多选)关于有序和无序、宏观态和微观态,下列说法正确的是()A.有序和无序是绝对的B.一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”C.一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”D.无序意味着各处一样、平均、没有差别,BD,解析:因为无序是各处都一样、平均、没有差别,故D项正确;而有序和无序是相对的,故A项错误;一个“宏观态”可能对应一个或多个“微观态

17、”,所以B项正确,C项错误.,2.(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方向性,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.,3.(多选)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,

18、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,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.,4.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,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,故C正确.,点击进入 课时作业,