热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展

《热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、高中物理选修3-3课件 5.6.热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展 高中物理选修3-3课件高中物理选修3-3课件高中物理选修3-3课件高中物理选修3-3课件 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：一个系统的个体按某种确定的 ，有顺序地排列称为有序 (2)无序：一个系统的个体分布没有确定的 ，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就叫做 宏观态 (4)微观态：宏观态系统内 的不同分布 状态就叫做微观态规则规则规则规则对应对应高中物理选修3-3课件 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 增 大的方向进行 3熵 (1)定

2、义式：Skln，式中S表示熵，k表示 ，表示微观态的 (2)意义：表示系统内分子运动 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 无序性玻耳兹兹曼常量数目无序性减小高中物理选修3-3课件 二、能源和可持续发展 1能量耗散与品质降低 (1)能量耗散 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 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 内能方向性高中物理选修3-3课件 (2)能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化，是微观领域 内由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

3、的 内能向机械能的转化过程，由热力学第二定 律知道，这种转化是有条件的，即环境中必须 存在着温度差，而且内能不能全额转化为机械 能 因此，从可被利用的价值来看，内能相对于 机械能、电能等，是一种低品质的能量 高中物理选修3-3课件 2能源与人类社会发展 (1)能源是社会存在与发展永远不可或缺的必 需品，是国民经济运行的物质基础，它与材料 、信息构成现代社会的三大支柱 (2)能源科技的每一次突破，都带来了生产力 的巨大飞跃和社会的进步 3能源与环境 能源种类：煤、 、天然气等常规能源 环境问题：温室效应、 、光化学烟雾 石油酸雨高中物理选修3-3课件 4开发新能源 (1)化石能源的短缺和利用常规

4、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： 太阳能 . 风能 水(河流、潮汐)能 太阳能、风能、水能是清洁能源 生物质质能高中物理选修3-3课件高中物理选修3-3课件 一、热力学第二定律的微观意义的理解 1有序、无序的含义 “无序”意味着各处一样、平均、没有差别， 而有序则正好相 反 2熵的含义 “有序”和“无序”是相对而言的，是从有序 程度上讲的，熵是宏观态无序程度的量度，熵 越高，意味着宏观态所对应的微观态数目越多 ，即越无序，熵越低即越有序 高中物理选修3-3课件 3热力学第二定律的微观解释 高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的 热运动，但是高温

5、物体中分子热运动的平均速 率要大于低温物体所以在高温物体分子与低 温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动 的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升 高了而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓 ，即高温物体的温度降低了所以从宏观热现 象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温 物体传给低温物体换一种角度看，初始我们 根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态 两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们 就说系统的无序程度增加了高中物理选修3-3课件 同理可知，在通过做功使系统内能增加的 过程中，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 高中物理选修3-3课件 4热力学第二定律的微观意义

6、 第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观的自然 过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地 在相反的方向上出现，它指出在能量得以平衡 的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发 生自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不 可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的 方向)，也就成为时间的方向性所以，“熵” 又常常被称为“时间箭头”高中物理选修3-3课件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

7、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 高中物理选修3-3课件 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 高中物理选修3-3课件 二、能源的分类与应用 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

8、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、风能高中物理选修3-3课件能源分类方法能源分类名称特点举例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)高中物理选修3-3课件 【特别提醒】 大量能量的使用不会使能 的总量减少，却会导致能量品质的降低，将 能量从高度

9、有用的形式降为不大可用的形式 ，所以要节约能源高中物理选修3-3课件以下说法正确的是( ) 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 竭的高中物理选修3-3课件 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高中物理选修3-3课件 教材资料分析 思考与讨论教材P67 下面这些过程中，能量的“归宿”在哪里？ 流水带动水磨做功，什么能转

10、化成了什么能？ 流水的机械能最终将转化为什么能？传说中， 三国时代的猛张飞站在当阳桥前一声吼，“喝 断了桥梁水倒流”，吼过之后静下来，他的声 能最终转化为什么能？ 日光灯把教室照得如同白昼，关灯后满屋漆黑 原先的光能最终将转化为什么能？高中物理选修3-3课件 把电炉接入电路，电能表转得飞快，表明消耗 着电能这些电能最终将转化为什么能？ 燃烧过程中燃料的化学能要释放出来这些化 学能最终将转化为什么能？ 【点拨】 流水带动带动 水磨做功，水的动动能转转 化为为水磨的机械能，最后转转化为为内能声能转转 化为为水的内能日光灯原先的光能转转化为为内能 电电炉接入电电路，电电能最后转转化为为内能燃料 燃烧

11、释烧释 放出来的能量最终转终转 化为为内能. 高中物理选修3-3课件高中物理选修3-3课件以一副扑克牌为例，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、草花、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高中物理选修3-3课件 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

12、观态对应的一个微观态 解析： A中扑克牌的排列是有确定规则规则 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 规规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规规 则则的，是无序的，B不正确高中物理选修3-3课件 一副扑克牌是一个系统统，是一个宏观态观态 洗动动一次，系统统内部排列不同，是这这副扑克牌宏观态对应观态对应 的一个微观态观态 ，C正确 将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统统，是一个宏观态观态 ，同时时，它又是一副扑克的一种排列形式，是一副扑克牌这这一宏观态对应观态对应的一个微观态观态 ，D正确 从偶数部分中抽出一张张插入奇数部分中，不再对应对应 于按奇偶分成两部分

13、的扑克牌这这一宏观态观态，也不再是该该宏观态对应观态对应 的一个微观态观态 ，可以当做是一副扑克牌这这一宏观态对应观态对应 的微观态观态 ，E错误错误 答案： BE高中物理选修3-3课件 【反思总结】 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 展热力学第二定律的适用范围： (1)热力学第二定律是一个统计规律，只对有 大量分子所组成的系统才适用； (2)不能把热力学第二定律推广到浩瀚的宇宙 中去，因为宇宙不是一个孤立的系统高中物理选修3-3课件 【跟踪发散】 11：关于气体向真空中扩散

14、 的规律的叙述中正确的是( ) 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高中物理选修3-3课件 解析： 气体分子向真空中扩散时，分子数越 少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状 态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于 原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正 确、B错误扩散到真空中的分子在整个容器中 均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观 态最多，并且这一宏

15、观态的无序性最强，C、D 正确 答案： ACD高中物理选修3-3课件关于能源的开发和利用，下列观点正 确的是( ) A无节制地利用能源，是一种盲目的短期行 为 B根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用 之不竭的 C能源的开发和利用，必须同时加强对环境 的保护 D不断开发新能源，是缓解能源危机的主要 途径 高中物理选修3-3课件 解析： 答案： ACD 高中物理选修3-3课件 【跟踪发散】 21：下列供热方式最有利于 环境保护的是( ) A用煤做燃料供热 B用石油做燃料供热 C用天然气或煤气做燃料供热 D用太阳能灶供热高中物理选修3-3课件 解析： 煤、石油、天然气等燃料的利用，使 人类获得大量的内能但由于这些燃料中含有 杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含粉尘、 一氧化碳、