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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- 2020 练人教版 选修 第十 热力学 定律 热力学第二定律 微观 解释 能源 可持续发展 课件
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1、5 5热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释6 6能源和可持续发展能源和可持续发展 学习目标学习目标 1.1.了解有序和无序、宏观态和微观态了解有序和无序、宏观态和微观态.2.2.了解热力学第二定律的微观意义了解热力学第二定律的微观意义.3.3.了解熵的概念了解熵的概念,知道熵是反映系统无序程度的物理量知道熵是反映系统无序程度的物理量,知道随着条件的知道随着条件的变化变化,熵也是变化的熵也是变化的.4.4.了解什么是能量耗散和品质降低了解什么是能量耗散和品质降低,了解能源与人类社会、环境的关系了解能源与人类社会、环境的关系.课前预习课前预习课堂探究课堂探究随堂演练随堂演练课前预习课前
2、预习 掌握新知掌握新知知识梳理知识梳理一、热力学第二定律的微观解释一、热力学第二定律的微观解释1.1.有序和无序有序和无序有序有序:确定了某种确定了某种 ,系统符合这个规则的就是有序的系统符合这个规则的就是有序的.无序无序:一个系统中一个系统中,对个体的分布对个体的分布 确定的要求确定的要求,“怎样分布都可怎样分布都可以以”,这样的分布是无序的这样的分布是无序的.有序和无序是有序和无序是 的的.按照某种规则按照某种规则,个体分布是有序的个体分布是有序的,但若按另一但若按另一种规则要求种规则要求,有些个体就可能是有些个体就可能是 的的.无序意味着对每个个体各处都一样、平均、没有差别无序意味着对每
3、个个体各处都一样、平均、没有差别;而有序则相反而有序则相反.规则规则没有没有相对相对无序无序2.2.宏观态和微观态宏观态和微观态宏观态宏观态:一个系统整体所处的状态就叫做宏观态一个系统整体所处的状态就叫做宏观态.微观态微观态:宏观态系统内部各个体的不同宏观态系统内部各个体的不同 状态就叫微观态状态就叫微观态,一个一个“宏宏观态观态”往往对应有多个往往对应有多个“微观态微观态”,对应的对应的“微观态微观态”越多越多,就说这个就说这个“宏观态宏观态”无序度无序度 .3.3.热力学第二定律的微观解释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一切自发过程总是沿着分子热运动的 增大的方向进
4、行增大的方向进行.分布分布越大越大无序性无序性4.4.熵熵(1)(1)熵的概念熵的概念物理学中用字母物理学中用字母表示一个宏观状态所对应的微观状态的表示一个宏观状态所对应的微观状态的 ,用字用字母母S S表示熵表示熵,有有S=kln,S=kln,式中式中k k叫做玻耳兹曼常量叫做玻耳兹曼常量.注注:既然微观态的数目既然微观态的数目是分子运动无序性的一种量度是分子运动无序性的一种量度,由于由于越大越大,熵熵S S也越大也越大,那么熵那么熵S S自然也是系统内分子运动自然也是系统内分子运动 的量度的量度.(2)(2)熵增加原理熵增加原理在任何自然过程中在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会一个孤
5、立系统的总熵不会 .二、能源和可持续发展二、能源和可持续发展1.1.能量耗散和品质降低能量耗散和品质降低(1)(1)能量耗散能量耗散:有序度较高有序度较高(集中度较高集中度较高)的能量转化为的能量转化为 ,流散到环流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象境中无法重新收集起来加以利用的现象.数目数目无序性无序性减小减小内能内能(2)(2)各种形式的能量向内能的转化各种形式的能量向内能的转化,是无序程度是无序程度 的状态向无序的状态向无序程度程度 的状态的转化的状态的转化,是能够是能够 发生、全额发生的发生、全额发生的.(3)(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能量耗散
6、从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有 性性.(4)(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量却会导致能量 的的降低降低,它实际上是将能量从高度有用的它实际上是将能量从高度有用的 形式降级为不大可用形式降级为不大可用的的 形式形式.2.2.能源与环境能源与环境(1)(1)常规能源常规能源:人们把煤、人们把煤、等化石能源叫做常规能等化石能源叫做常规能源源,人类消耗的能源主要是常规能源人类消耗的能源主要是常规能源.较小较小较大较大自动自动方向方向品质品质高品质高品质低品质低品质石油石油天然气天然气(2)(2)新能源新能源:主要有主要有 能、生
7、物质能、风能、水能、核能等能、生物质能、风能、水能、核能等.(3)(3)环境问题环境问题:化石能源的大量消耗带来的环境问题有化石能源的大量消耗带来的环境问题有 效应、酸效应、酸雨、光化学烟雾等雨、光化学烟雾等.太阳太阳温室温室科学思维科学思维1.1.思考判断思考判断(1)(1)熵越小熵越小,系统对应的微观态就越少系统对应的微观态就越少.(.()(2)(2)在任何自然过程中在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会增加一个孤立系统的总熵不会增加.(.()(3)(3)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动.(.()(4)(4)能量耗散会导致总能量的减少能
8、量耗散会导致总能量的减少,也会导致能量品质的降低也会导致能量品质的降低.(.()(5)(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的运动状态转化的过程.(.()(6)(6)既然能量是守恒的既然能量是守恒的,那么人类就没必要节约能源那么人类就没必要节约能源.(.()2.2.思维探究思维探究(1)(1)质量相同、温度相同的水质量相同、温度相同的水,如图所示如图所示,分别处于固态、液态和气态三种分别处于固态、液态和气态三种状态下状态下,它们的熵的大小有什么关系它们的熵的大小有什么关系?为什么为什么?
9、答案答案:质量相同、温度相同的水质量相同、温度相同的水,可以由固态自发地向液态、气态转化可以由固态自发地向液态、气态转化.所所以以,气态时的熵最大气态时的熵最大,其次是液态其次是液态,固态时的熵最小固态时的熵最小.(2)(2)既然能量守恒既然能量守恒,为什么还要节约能源为什么还要节约能源?答案答案:人们在使用能源的时候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可用的低品质的内能.虽然能量不会减少虽然能量不会减少,但能源会越来越少但能源会越来越少,所以要节约所以要节约能源能源.(3)(3)如图所示是锅炉工作时的外景如图所示是锅
10、炉工作时的外景,从节约能源和环境保护角度来看从节约能源和环境保护角度来看,存在存在的主要问题是什么的主要问题是什么?答案答案:由题图中的浓烟滚滚由题图中的浓烟滚滚,可以发现存在的主要问题有两个可以发现存在的主要问题有两个:一是燃料一是燃料燃烧不充分燃烧不充分,且烟气带走大量的热量且烟气带走大量的热量,造成能量损失造成能量损失;二是造成大气污染二是造成大气污染.要点一热力学第二定律的微观解释要点一热力学第二定律的微观解释课堂探究课堂探究 突破要点突破要点 探究导学探究导学 1.1.如图所示如图所示,一个箱子被挡板均匀分为左、右两室一个箱子被挡板均匀分为左、右两室,左室有左室有4 4个气体分子个气
11、体分子a,b,c,d,a,b,c,d,右室为真空右室为真空,撤去挡板后撤去挡板后,气体自由扩散气体自由扩散,以箱子内以箱子内4 4个分子为模个分子为模型型,说明具有哪些可能的宏观态和微观态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并用热力学第二定律说明,气气体扩散后体扩散后4 4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情况个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情况.答案答案:可能的宏观态有可能的宏观态有:左左0 0右右4,4,左左1 1右右3,3,左左2 2右右2,2,左左3 3右右1,1,左左4 4右右0;0;对应对应的微观态数目的微观态数目:1,4,6,4,1.:1,4,6
12、,4,1.不同的宏观态包含着不同数量的微观态不同的宏观态包含着不同数量的微观态,其其中分子分布的最大一种可能情况是左中分子分布的最大一种可能情况是左2 2右右2,2,最小一种可能情况是左最小一种可能情况是左0 0右右4 4或左或左4 4右右0.0.2.2.试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左左2 2右右2”2”这种均匀分布的可能性这种均匀分布的可能性最大最大,能否由此得出热力学第二定律的微观意义能否由此得出热力学第二定律的微观意义?答案答案:从无序的角度看从无序的角度看,热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的.因
13、为任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,当撤去挡板的瞬间当撤去挡板的瞬间,分子仍分子仍聚集在左室聚集在左室,对于左、右两室这一个整体来讲对于左、右两室这一个整体来讲,这显然是一种高度有序的分布这显然是一种高度有序的分布,当气体分子自由扩散后当气体分子自由扩散后,气体系统就变得无序了气体系统就变得无序了.我们看到我们看到“左左2 2右右2”2”这种均匀这种均匀分布的可能性最大分布的可能性最大,而分子集中在一个室中而分子集中在一个室中,另一个室变成真空的可能性最小另一个室变成真空的可能性最小.实际上实际上,当气体系统中分子个数相当多时当气
14、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撤去挡板后我们只能看到气体向真空中扩散中扩散,而不可能观察到气体分子重新聚集在一室中的现象而不可能观察到气体分子重新聚集在一室中的现象.因此因此,气体的自由气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的,综上可知综上可知,一切自发过程总是沿着分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这就是热力学第二定律的微观意义.要点归纳要点归纳 1.1.熵是反映系统无序程度的物理量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
15、正如温度反映物体内分子平均动能大小一样小一样,系统越混乱系统越混乱,无序程度越大无序程度越大,这个系统的熵就越大这个系统的熵就越大.2.2.从微观的角度看从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律热力学第二定律是一个统计规律,一个孤立系统总是一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展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而熵值较大代表着较为无序,所以自发所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展.3.3.对于绝热或孤立的热力学系统而言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所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过
16、程的变化过程,因此因此,总是朝着熵增加的方向进行总是朝着熵增加的方向进行.或者说或者说,一个孤立系统的一个孤立系统的熵永远不会减少熵永远不会减少,这就是熵增加原理这就是熵增加原理.例例11(多选多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是()A.A.从微观的角度看从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律热力学第二定律是一个统计规律B.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.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增大的方向进行,有的
17、自然过程有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行沿着分子热运动无序性减小的方向进行D.D.在任何自然过程中在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小一个孤立系统的总熵不会减小ADAD解析解析:从热力学第二定律的微观本质看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我们知道热力学第二定律是一个统计规律个统计规律,故故A A正确正确,B,C,B,C错误错误.在任何自然过程中在任何自然过程中,一个孤立系统的总一个孤立系统的总熵不会减小熵不会减小,故故D D正确正确
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