2013-2014学年高二物理配套课件：10-5~6 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展（人教版选修3-3）.ppt

1、自 主 学 习分 类 例 析5 热力学第二定律的微观解释6 能源和可持续发展自 主 学 习分 类 例 析自 主 学 习分 类 例 析1了解有序和无序是相对的2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能用熵增加原理认识自然界中能量转化的方向性，能从熵增加角度认识当前的环境问题5了解能源及其分类6了解能源现状与社会可持续发展的关系自 主 学 习分 类 例 析一、有序和无序 宏观态和微观态系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的系统的宏观状态所对应的微观态的多少表现为宏观态的和，即对应微观态少的宏观态称为，而对

2、应微观态多的宏观态称为统计规律有序无序有序无序自 主 学 习分 类 例 析二、热力学第二定律的微观意义气体向真空的扩散气体的自由扩散过程是沿着无序性的方向进行的热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性的方向进行增大增大自 主 学 习分 类 例 析三、熵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，则SkLn 式中k叫做玻耳兹曼常数熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述数目减小自 主 学 习分 类 例 析温馨提示由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率

3、较大的宏观状态在自然过程中熵总是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多，就像把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多自 主 学 习分 类 例 析四、能量耗散和品质降低能量耗散：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各种形式的能量向内能转化方向是无序程度较小向无序程度较大的转变，是能、全额发生的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，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式内能自动发生方向性自 主

4、学 习分 类 例 析五、能源和环境能源常规能源：煤、天然气等种类环境问题：温室效应、光化学烟雾新能源：、生物质能、风能等石油酸雨太阳能自 主 学 习分 类 例 析温馨提示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，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能自 主 学 习分 类 例 析一、如何理解有序和无序、宏观态和微观态？有序和无序确定了某种规则，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的(1)无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反(2)

5、有序和无序是相对的举例：一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、草花、方块的顺序排列，但对号码的大小不做要求，这样的排列对于完全杂乱的一副牌来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号码顺序也有要求的排列来说，就是无序的了自 主 学 习分 类 例 析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写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分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态(1)在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都随时间无规则地变化着系统中各个粒子运动状态的每一种分布，都代表系统的一个微观态，

6、系统的微观态的数目是大量的，在任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态自 主 学 习分 类 例 析(2)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”是比较无序的自 主 学 习分 类 例 析二、热力学第二定律与熵热力学第二定律的微观解释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自 主 学 习分 类 例 析熵的概念SkLn(1)既然微观态的数目是分子运动无序性

7、的一种量度，由于越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量度(2)熵是热力学中的一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小自 主 学 习分 类 例 析熵增大原理(1)由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态在自然过程中熵总是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情

8、做得整整齐齐的方式多得多(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度更大的方向发展如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加自 主 学 习分 类 例 析三、能源概念、分类概念：能源是提供可利用能量的物质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加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能自 主 学 习分 类 例 析按利用技术分常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气、水能新

9、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、风能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、核燃料按对环境污染情况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、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)自 主 学 习分 类 例 析特别提醒 熵增加原理的适用对象是孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少自 主 学 习分 类 例 析【例1】(2013海口)一个箱子被分成A、B两室，有四个不同颜色的小球被放在箱子中，象征着封闭系统进入了一个自发的过程，则A、B两室中的小球在箱中共有多少种

10、可能？每种可能称为一个宏观态，则每种宏观态对应的微观态有多少种？试用图例说明解析设有红、黄、蓝、绿四个小球，把它们按如下方式放入箱中，如图所示宏观态与微观态自 主 学 习分 类 例 析如果不区分小球的颜色，则只会出现如图所示的5种可能，即有5个宏观态，而每种宏观态下，A中的小球可以是四种颜色中的任意几种的组合，由排列组合的知识知道，宏观态(1)对应1个微观态，宏观态(2)对应4个微观态，宏观态(3)对应6个微观态，宏观态(4)对应4个微观态，宏观态(5)对应1个微观态，即共存在16个微观态如图所示自 主 学 习分 类 例 析自 主 学 习分 类 例 析答案 见解析借题发挥解题时应明确宏观态和微

11、观态的定义，特别是它们的区别是否区分每个分子；还要能熟练运用排列组合知识，在分析微观态的时候，应该有一个顺序，这样才能避免微观态的多余或遗漏自 主 学 习分 类 例 析【变式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”是比较无序的解析一切热现象的宏观过程都是不可逆的，故A、B错，微观态越多越无序，故选D.答案 D自 主 学 习分 类 例 析【例2】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

12、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热力学第二定律的微观意义自 主 学 习分 类 例 析解析分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程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，而不是变成了有序，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，故选C、D.答案 CD借题发挥解此类题目要理解好有序

13、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的无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的，自 主 学 习分 类 例 析【变式2】关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解析在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增加的，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 AC自

14、 主 学 习分 类 例 析【例3】(2013广州)能源问题是当前热门话题，传统的能源煤和石油，由于储量有限，有朝一日要被开采完毕，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例如图10-5、6-1表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道如图甲；潮落至最低点时放水发电，如图乙；待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙设海湾面积为5.0107 m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，则一天内流水的平均功率为_MW.能源开发与利用自

15、 主 学 习分 类 例 析图10-5、6-1自 主 学 习分 类 例 析自 主 学 习分 类 例 析借题发挥 能源是人类生存和发展的重要支撑因素，海洋蕴藏着极丰富的能源：潮汐能、波浪能、温差能、盐度差能、海流能等，海洋能源亟待人类去开发，潮汐发电是海洋能开发较早的一种，我国潮汐能源约1.1108 kW，开发利用潮汐能技术也在不断提高自 主 学 习分 类 例 析【变式3】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，导致有毒气体的生成，B错；水源是可再生能源，C对；煤、石油等存量是有限的，是不可再生能源，D错答案 AC