2017人教版高中物理选修（3-3）10.5-6《热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展》word学案

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1、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　

2、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

3、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

4、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

5、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

6、(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

7、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