人教版高中物理选修3-3 学案第十章 热力学定律 第5节、第6节 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选修3-3 学案第十章 热力学定律 第5节、第6节 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 282.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-09 18:27:33 | ||
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文档简介
第5节 热力学第二定律的微观解释
第6节 能源和可持续发展
1．了解有序和无序概念，知道有序和无序是相对的，了解宏观态和微观态的概念。
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解释。
3．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。
4．了解什么是能量耗散和品质降低，了解能源与人类社会发展和环境的关系。
一、热力学第二定律的微观解释
1．有序和无序、宏观态和微观态
(1)有序：一个系统的个体按确定的方向有顺序的排列。
(2)无序：一个系统的个体分布没有确定的要求，分布是随意的，称为无序。
(3)宏观态：一个系统整体所处的状态叫做宏观态。
(4)微观态：宏观态系统内对应的不同分布状态就叫做微观态。
2．气体向真空的扩散
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。
3．熵
(1)定义式：S＝kln Ω，式中S表示熵，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示微观态的数目。
(2)意义：表示系统内分子运动无序性的量度。
(3)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。
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)的能量转化为无序性更大的能量，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
(2)各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态转化，是能够自动发生、全额发生的。
(3)能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低。
2．能源与环境
(1)人们把煤、石油、天然气等化石能源叫做常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源。
(2)化石能源的储藏是有限的。
(3)环境问题
化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、气候异常等。
3．新能源的开发和利用
(1)化石能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染，使得新能源的开发成为当务之急。
(2)新能源主要有下列几种：
①太阳能；②生物质能；③风能；④水能(河流、潮汐)。
太阳能、风能、水能是清洁能源。
判一判
(1)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会增大。( )
(2)能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的保护。( )
(3)根据能量守恒，能源应该是取之不尽，用之不竭的。( )
(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。( )
提示：(1)× (2)√ (3)× (4)×
课堂任务 对有序和无序、宏观态和微观态的理解
1．有序和无序
确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序。
2．宏观态和微观态
当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描述的系统状态叫热力学系统的宏观态；如果使用分子数分布并且区别具体的分子来描述的系统状态叫热力学系统的微观态。
例1 (多选)以一副扑克牌为例，下列关于有序和无序、宏观态和微观态的认识中不正确的是( )
A．按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时是有序的
B．将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克牌是无序的，每部分内部是有序的
C．一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗动一次就是一个微观态
D．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微观态
E．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入到奇数部分，它是该宏观态对应的一个微观态
[规范解答] 系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，一副扑克牌对应一个宏观态，若扑克牌的排列是规则的，则对应的微观态是有序的，反之，是无序的。A中扑克牌的排列是有确定规则的，是有序的，A正确。B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规则的，是无序的，B不正确。一副扑克牌是一个系统，是一个宏观态，洗动一次，系统内部排列不同，是这副扑克牌宏观态对应的一个微观态，C正确。将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统，是一个宏观态，同时，它又是一副扑克的一种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态，D正确。从偶数部分中抽出一张插入奇数部分中，不再对应于按奇偶分成两部分的扑克牌这一宏观态，也不再是该宏观态对应的一个微观态，可以看做是一副扑克牌这一宏观态对应的微观态，E错误。
[完美答案] BE
一锅开水投入了5个糖馅的甜汤圆，随后又投入了5个肉馅的咸汤圆，甜、咸汤圆在沸水中翻滚，象征着封闭系统进入了一个自发的过程。随后，用两只碗各盛了5个汤圆，每碗汤圆中共有六种可能：
①全是甜的，②全是咸的，③1甜4咸，④4甜1咸，这是四种不平衡的宏观态，⑤2甜3咸，⑥3甜2咸，这是两种相对平衡的宏观态。
两只碗各盛5个汤圆共有32种组合方式，我们称为32个微观态。试问：
(1)以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？请设计一个图表来表示；
(2)以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少？
答案 (1)见解析 (2)
解析 (1)宏观态对应的微观态个数。
宏观态
全是甜的
全是咸的
1甜4咸
4甜1咸
2甜3咸
3甜2咸
微观态个数
1
1
5
5
10
10
(2)相对平衡的宏观态出现的概率为：
P＝＝。
课堂任务 热力学第二定律的微观意义
对熵及熵增加原理的理解
(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小。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，不会使熵减少。
(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。
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多无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
例2 (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
[规范解答] 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，其传递过程不能自发进行，故C、D正确。
[完美答案] CD
从分子热运动的角度解释热传递的方向性
两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，总体上看，分子热运动的分布较为无序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变的分散，分子热运动的分布较为无序。由于一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，所以热传递中能量是由高温物体传向低温物体的，热传递具有方向性。
(多选)从微观角度看( )
A．热力学第二定律是一个统计规律
B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展
C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大
D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大
答案 ACD
解析 由熵增加原理“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”可知B错误，A、C、D正确。
课堂任务 能源的开发和利用
1．能量耗散
(1)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方向性。
(2)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，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可用的形式。
2．能源的分类
例3 (多选)下列对能量耗散的理解正确的有( )
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
[规范解答] 能量转化过程中总能量守恒，但散失在空气中的内能不可能收集起来用来做功。
在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会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，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确。
[完美答案] BD
对能量耗散的理解
(1)能量耗散是能量从高品质能源向低品质能源转化和转移的过程。
(2)能量耗散是指能量的可利用程度降低。
下列现象属于能量耗散的是( )
A．利用水流能发电转化为电能
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，才无法重新吸收并加以利用，但本题没有告诉这光能用来做什么，故不能算能量耗散，只有火炉把房子烤热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，才是能量耗散。故D正确。
第6节 能源和可持续发展
1．了解有序和无序概念，知道有序和无序是相对的，了解宏观态和微观态的概念。
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解释。
3．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。
4．了解什么是能量耗散和品质降低，了解能源与人类社会发展和环境的关系。
一、热力学第二定律的微观解释
1．有序和无序、宏观态和微观态
(1)有序：一个系统的个体按确定的方向有顺序的排列。
(2)无序：一个系统的个体分布没有确定的要求，分布是随意的，称为无序。
(3)宏观态：一个系统整体所处的状态叫做宏观态。
(4)微观态：宏观态系统内对应的不同分布状态就叫做微观态。
2．气体向真空的扩散
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。
3．熵
(1)定义式：S＝kln Ω，式中S表示熵，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示微观态的数目。
(2)意义：表示系统内分子运动无序性的量度。
(3)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。
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)的能量转化为无序性更大的能量，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
(2)各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态转化，是能够自动发生、全额发生的。
(3)能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低。
2．能源与环境
(1)人们把煤、石油、天然气等化石能源叫做常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源。
(2)化石能源的储藏是有限的。
(3)环境问题
化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、气候异常等。
3．新能源的开发和利用
(1)化石能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染，使得新能源的开发成为当务之急。
(2)新能源主要有下列几种：
①太阳能；②生物质能；③风能；④水能(河流、潮汐)。
太阳能、风能、水能是清洁能源。
判一判
(1)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会增大。( )
(2)能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的保护。( )
(3)根据能量守恒，能源应该是取之不尽，用之不竭的。( )
(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。( )
提示：(1)× (2)√ (3)× (4)×
课堂任务 对有序和无序、宏观态和微观态的理解
1．有序和无序
确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序。
2．宏观态和微观态
当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描述的系统状态叫热力学系统的宏观态；如果使用分子数分布并且区别具体的分子来描述的系统状态叫热力学系统的微观态。
例1 (多选)以一副扑克牌为例，下列关于有序和无序、宏观态和微观态的认识中不正确的是( )
A．按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时是有序的
B．将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克牌是无序的，每部分内部是有序的
C．一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗动一次就是一个微观态
D．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微观态
E．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入到奇数部分，它是该宏观态对应的一个微观态
[规范解答] 系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，一副扑克牌对应一个宏观态，若扑克牌的排列是规则的，则对应的微观态是有序的，反之，是无序的。A中扑克牌的排列是有确定规则的，是有序的，A正确。B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规则的，是无序的，B不正确。一副扑克牌是一个系统，是一个宏观态，洗动一次，系统内部排列不同，是这副扑克牌宏观态对应的一个微观态，C正确。将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统，是一个宏观态，同时，它又是一副扑克的一种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态，D正确。从偶数部分中抽出一张插入奇数部分中，不再对应于按奇偶分成两部分的扑克牌这一宏观态，也不再是该宏观态对应的一个微观态，可以看做是一副扑克牌这一宏观态对应的微观态，E错误。
[完美答案] BE
一锅开水投入了5个糖馅的甜汤圆，随后又投入了5个肉馅的咸汤圆，甜、咸汤圆在沸水中翻滚，象征着封闭系统进入了一个自发的过程。随后，用两只碗各盛了5个汤圆，每碗汤圆中共有六种可能：
①全是甜的，②全是咸的，③1甜4咸，④4甜1咸，这是四种不平衡的宏观态，⑤2甜3咸，⑥3甜2咸，这是两种相对平衡的宏观态。
两只碗各盛5个汤圆共有32种组合方式，我们称为32个微观态。试问：
(1)以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？请设计一个图表来表示；
(2)以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少？
答案 (1)见解析 (2)
解析 (1)宏观态对应的微观态个数。
宏观态
全是甜的
全是咸的
1甜4咸
4甜1咸
2甜3咸
3甜2咸
微观态个数
1
1
5
5
10
10
(2)相对平衡的宏观态出现的概率为：
P＝＝。
课堂任务 热力学第二定律的微观意义
对熵及熵增加原理的理解
(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小。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，不会使熵减少。
(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。
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多无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
例2 (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
[规范解答] 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，其传递过程不能自发进行，故C、D正确。
[完美答案] CD
从分子热运动的角度解释热传递的方向性
两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，总体上看，分子热运动的分布较为无序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变的分散，分子热运动的分布较为无序。由于一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，所以热传递中能量是由高温物体传向低温物体的，热传递具有方向性。
(多选)从微观角度看( )
A．热力学第二定律是一个统计规律
B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展
C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大
D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大
答案 ACD
解析 由熵增加原理“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”可知B错误，A、C、D正确。
课堂任务 能源的开发和利用
1．能量耗散
(1)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方向性。
(2)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，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可用的形式。
2．能源的分类
例3 (多选)下列对能量耗散的理解正确的有( )
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
[规范解答] 能量转化过程中总能量守恒，但散失在空气中的内能不可能收集起来用来做功。
在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会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，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确。
[完美答案] BD
对能量耗散的理解
(1)能量耗散是能量从高品质能源向低品质能源转化和转移的过程。
(2)能量耗散是指能量的可利用程度降低。
下列现象属于能量耗散的是( )
A．利用水流能发电转化为电能
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，才无法重新吸收并加以利用，但本题没有告诉这光能用来做什么，故不能算能量耗散，只有火炉把房子烤热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，才是能量耗散。故D正确。