完整word版人教版高中物理选修33第10章56.docx

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完整word版人教版高中物理选修33第10章56

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

知识脉络

1.知道有序和无序，宏观态和微观态的概念．（重点）

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意义．（重点）

3.掌握熵的概念，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述．（难点）

4.知道什么是能量耗散和品质降低．了解能源与人类社会、环境的的关系．（难点）

热力学第二定律的微观解释

1．有序、无序

一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即无序．

2．宏观态、微观态

系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态．

3．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增大的方向进行．

4．熵

表达式S＝klnΩ，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目．S表示系统内分子运动无序性的量度，称为熵．

5．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．

1．熵越小，系统对应的微观态就越少．（√）

2．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．（√）

3．大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动．（×）

1．质量相同、温度相同的水，如图1051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？

气体　　　　　　液体　　　　　　固体

图1051

【提示】　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．熵的大小与无序性的大小有什么关系？

在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？

【提示】　熵值越大其无序性越大．在自然过程中，孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展．

热力学第二定律的微观解释和熵

1．热力学第二定律的微观解释

（1）热传递过程：

从宏观上看，热量自发地从高温物体传到低温物体；从微观角度看，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢，低温物体中的分子运动加快，到温度相同时，两个物体分子的平均动能相同，热传导这个不可逆过程使分子热运动的无序程度增加了．

（2）功转变为热：

从宏观上看是机械能或其他形式的能量转化为内能的过程；从微观上看，机械运动中大量分子主要都沿同一方向运动，转变为热运动，分子杂乱无章地向各个方向运动，因此是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程．

（3）热力学第二定律的微观本质：

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．

2．熵

（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，有：

S＝k·lnΩ，式中k叫做玻耳兹曼常数．

（2）熵是状态量：

熵是热力学中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，常用S表示．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．

3．熵增加原理

（1）熵是无序程度的量度：

根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度．使其熵值达到最大值．

（2）热力学系统演化的方向性：

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，一个孤立系统的熵永远不会减少，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式．

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．热传递的自发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．热传递的自发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

E．从微观的角度看，热力第二定律是一个统计定律

【解析】　热力学第二定律的微观意义明确指出：

一切自发过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以选项C、D正确，热力学第二定律是一个统计规律，故E正确．

【答案】　CDE

2．（2016·武汉高二检测）从微观角度看，下列说法正确的是（　　）

A．一个非孤立系统可能从熵大的状态向熵小的状态发展

B．一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展

C．一个宏观状态所对应的微观状越多，越是无序，熵值越大

D．出现概率越小的宏观状态熵值越大

E．出现概率越大的宏观状态，熵值越大

【解析】　一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的．熵是描述系统大量分子运动无序性程度的．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展．反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

对于一个非孤立的系统，在与外界有能量交换时其熵也有可能变小，故B、D错误，A、C、E正确．

【答案】　ACE

3．一杯热水置于空气中，它总是冷却到与周围环境相同的温度，因为处于比周围温度高或低的几率都较小，而与周围环境同温的平衡态是几率最大的状态，但是这杯水的熵却减少了，这与熵增加原理相矛盾吗？

【解析】　熵增加原理是指在一个封闭系统中，不可逆过程总是向熵增加的方向进行，如果取这杯热水和周围环境作为一个封闭系统，整个过程中此系统的熵是

增加的．若仅取一杯水为研究对象，它不是封闭系统，它与外界有能量交换，虽然水的熵减少，但与熵增加原理不矛盾．

【答案】　见解析

有序及无序过程的判断

（1）判断此类问题要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的．

（2）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．

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）的能量转化为内能，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的转化，是能够自动发生、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方向性．

（4）能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降纸为不大可用的低品质形式．

2．能源与环境

（1）常规能源：

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）新能源：

主要有太阳能、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温室效应、酸雨、光化学烟雾等．

1．根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的．（×）

2．能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低．（×）

3．能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响．（√）

1．流动的水带动水磨做功．由于磨盘之间的摩擦、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空气中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．请思考：

内能与机械能相比，哪种能量的品质低？

【提示】　内能．能量的耗散虽然不会使能量减少，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．故内能较之机械能是一种低品质的能量．

2．如图1061所示是锅炉工作时的外景，从节

图1061

约能源和环境保护角度来看，分析存在的主要问题是什么？

【提示】　由题图中的浓烟滚滚，可以发现存在的主要问题有两个：

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．

1．如何正确理解能量耗散和品质降低

（1）各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了．

（2）从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量.由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．

（3）能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．

2．能源的分类

能源分类方法

能源分类名称

特点

举例

按形式或

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

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

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）

4．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

E．能量耗散符合热力学第二定律

【解析】　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，宇宙中的能量既没有减少，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，恰恰说明符合热力学第二定律，故A、C错，B、D、E正确．

【答案】　BDE

5．某地的平均风速为5m/s，已知空气密度是1.2kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？

【解析】　首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，这些气流的动能为Ek＝

mv2

故风车带动发电机发电的功率为P＝

＝

πr2ρv3×10%

代入数据以后得P＝3.4kW.

【答案】　3.4kW

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．

学业分层测评（十六）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1．煤、石油、天然气作为能源的共同特点的下列说法正确的是（　　）

A．可再生能源，取之不尽，用之不竭

B．不可再生能源，用一点，少一点

C．来自太阳辐射的能量

D．污染环境的能源

E．正在开发的新能源

【解析】　煤、石油、天然气是不可再生、污染环境的能源，它是由动、植物转化而来的，其来源可追溯到太阳能，故B、C、D正确．

【答案】　BCD

2．若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法中正确的是（　　）

A．气体分子间的作用力可能先增大后减小

B．气体分子的平均速率增大

C．气体分子的平均动能减小

D．气体组成的系统的熵增加

E．气体一定吸热

【解析】　考虑气体分子间作用力时，若分子力是引力，分子间距从r0增大，则分子力先增大后减小，A正确．气泡上升过程中温度不变，分子平均动能不变，分子平均速率也不变，B、C错误．气泡上升过程中体积膨胀，分子势能增加，内能增大，而对外做功，故气体一定吸收热量，又因为温度不变，故其熵必增加，D、E正确．

【答案】　ADE

3．下列说法中正确的是（　　）

A．机械能和内能之间的转化是不可逆的

B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的

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

E．无序意味着各处一样，平均、没有差别

【解析】　热现象的宏观过程都是不可逆的，故A错、B对，微观态越多越无序，因为无序是各处都一样，平均没有差别，故D、E正确，C错误．

【答案】　BDE

4．（2016·烟台高二检测）对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．温度升高，分子的平均动能增大，每次碰撞对容器壁的作用力增大，但压强不一定增大

B．体积减小，单位体积内的分子数增多，气体的内能一定增大

C．绝热压缩一定质量的理想气体时，外界对气体做功，内能增加，压强一定增大

D．一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，熵减小

E．在等温膨胀中一定从外界吸热

【解析】　对于一定质量的理想气体，由

＝C知，温度升高，如果气体体积增大，压强不一定增大，A对；体积减小，单位体积内的分子数增多，如果对外放热，气体的内能可能减小，B错；孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，D错，C对；气体在等温膨胀中，对外界做功，而内能不变，则一定吸热，故E对．

【答案】　ACE

5．（2016·济南高二检测）下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律（　　）

A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热

B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能

C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离

D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体

E．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量

【解析】　A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生．C中系统的势能减少了，D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生；不可能从单一热源吸收热量便之完全变为功，而不产生其他影响，故E正确．

【答案】　CDE

6．对气体向真空中扩散的规律，下列说法中正确的是（　　）

A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大

B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大

C．扩散到真空中的分子数在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大

D．扩散到真空中的分子数在整个容器中分布越不均匀，其宏观态对应的微观态数目越大

E．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行

【解析】　气体分子数越多，其宏观态对应的微观态数目越多，无序性越大，故回到原状态的可能性越小，故A、C、E对，B、D错．

【答案】　ACE

7．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

E．化石燃科（煤、石油、天然气）会严重污染环境．

【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；水能是可再生能源，C对；煤、石油、天然气等存量是有限的，是不可再生能源，D错；化石燃料会严重污染环境，故E对．

【答案】　ACE

8．据《中国环境报》报道：

从一份科技攻关课题研究结果显示，我国酸雨区已占国土面积的40%以上，研究结果还表明，我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损失高达15亿元．为了有效控制酸雨，目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规．

（1）在英国进行的一项研究结果表明：

高烟囱可有效地降低地面SO2浓度，在20世纪60～70年代的10年间，由发电厂排放的SO2增加了35%，但由于建造高烟囱的结果，地面浓度降低了30%之多，请你从全球环境保护的角度，分析这种做法是否可取？

说明理由．

（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？

与传统的煤、石油作燃料相比，哪种物质可以作为新能源？

主要优点是什么，缺点又是什么？

【解析】　

（1）减少酸雨的产生是要杜绝污染源，而不是建造高烟囱转移污染，而杜绝酸雨的污染途径一般有三个：

一是对煤、石油等传统能源进行处理，使其在燃烧过程中不产生SO2；二是对污染物SO2进行回收利用；三是开发新能源．

（2）传统燃料的主要缺点是：

①煤、石油是不易再生的化工燃料，其资源是有限的；②燃烧后产生的SO2、NO2等严重污染大气，进而形成酸雨；③燃烧后产生的CO2又会造成温室效应．

与传统的燃料相比，氢可以作为目前最理想的燃料，优点：

①H2可以用水作为原料来制取，取之不尽，用之不竭；②H2燃烧时放热多，放出的热量约为同质量汽油的3倍；③氢燃料的最大优点是燃烧产物为水，不易污染环境，还可循环使用．

缺点：

氢能源的提取、开发和利用的技术发明成为当务之急．

【答案】　

（1）不可取，因为SO2的排放总量并没有减少，进一步形成的酸雨仍会造成对全球的危害.

（2）见解析

[能力提升]

9．下列关于能量耗散的说法，正确的是（　　）

A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律

B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用

C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的

D．能量耗散导致能量品质的降低

E．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以任空消失

【解析】　能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故A错，D对；耗散的内能无法再被利用，B项对；其他形式的能可以自发全部转化为内能，C项对；故选B、C、D；能量耗散能量既没有减少，也没有消失，故E错．

【答案】　BCD

10．用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空（如图1052甲）．现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器（如图1052乙），这个过程称为气体的自由膨胀．下列说法正确的是（　　）【导学号：

11200099】

甲　　　　　　　　乙

图1052

A．自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动

B．自由膨胀后，气体的压强减小

C．自由膨胀前后，气体的温度不变

D．容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分

E．自由膨胀过程中，气体不做功

【解析】　气体向真空膨胀，不对外做功，在充满整个容器过程中也没有热交换，根据热力学第一定律知内能不变，温度不变，C正确；气体膨胀后体积增大，温度不变，根据理想气体状态方程可知气体压强减小，B正确；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，但其逆过程却不能自动地进行，A、D错误；自由膨胀过程中由于不受阻力，因此气体不做功，E对．

【答案】　BCE

11．设计在风力资源丰富的甘肃河西走廊西端的玉门建一个大型风力发电场，其单机的额定功率为600kW.通过实验测得风力发电机的功率与风速的关系曲线如图1062所示．从图示资料可知：

当平均风速大于______m/s时就可以发电，当平均风速达到______m/s时达到额定功率．气象资料显示：

河西走廊常年平均风速为v＝12m/s，则一台风力发电机的年发电量约为______kW·h.【导学号：

11200100】

图1062

【解析】　由题图可知，横坐标为风速、纵坐标为功率，起点处纵坐标为零，横坐标在2～3之间，所以当平均风速大于2m/s时，就有电功率输出，就能发电．再由图线可知，在风速达到14m/s时，电功率稳定，所以此时达到额定功率．风速v＝12m/s时，对应电功率为530kW，应用W＝Pt公式，将数据代入求解整理可得W＝4.64×106kW·h.

【答案】　2　14　4.64×106

12．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，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1063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5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0m，则一天内流水的平均功率为____MW.

图1063

【解析】　潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能．每次涨潮时流进海湾（落潮时流出海湾）的海水的重力为mg＝ρShg＝1.0×103×5.0×107×3×10N＝1.5×1012N，其重心高度变化为h′＝1.5m.

一天内海水两进两出，故水流功率为

P＝

＝

W＝1.0×108W＝100MW.

【答案】　100