热力学第二定律的微观解释

选修3-3
第十章
10.5 热力学第二定律的微观解释
10.6 能源和可持续发展
一、教材分析
热力学第二定律以宏观事实为基础，告诉我们热学现象和热学过程应该遵循的规律，本节要从微观的角度说明，为什么涉及热运动的宏观过程会有这样的方向性。
二、目标
1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。
2.了解热力学第二定律的微观意义。
3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。知道随着条件的变化，熵是变化的。
4. 理解能量耗散和品质降低的概念。.理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。
5. 了解常规能源的使用带来的环境污染。.了解开发新能源的方法和意义。
三、重难点
1.了解热力学第二定律的微观意义。
2.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。
3..理解能量耗散和品质降低的概念。
四、学情分析
学生掌握了热力学第二定律，但不知道它的微观解释。本节中的概念“有序”、“无序”、“熵”不易理解。热力学第二定律的微观解释较抽象。“能源和可持续发展”内容简单，易于掌握。
五、教学方法
思考、讨论、总结发言，多媒体。
六、课前准备
预习学案 阅读课本
七、课时安排 1课时
八、教学过程
（一）预习检查、总结疑惑
（二）情景引入、展示目标
（三）合作探究、精讲点拨
1.有序和无序
有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。
有序和无序是相对的。
2.宏观态和微观态
宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。
系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。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，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。
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.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。
在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。
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程度更大的方向发展。
典例探究
例： 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？
解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。
友情提示：本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。
1.能量耗散：系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散。
2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。
能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。
3.能源：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。
常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水力等。
4.能源危机与环境污染
(1).近一百年，地球人口由16亿增加到目前的50亿，净增了2倍多，而能源消耗据统计却增加了16倍。按目前的消耗量，专家预测石油、天然气最多只能维持半个世纪，煤炭尚可维持一二百年。
(2).能源利用的过程也直接污染着地球环境
①温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致“温室效应”，造成地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。
②酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡。同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。
③臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害。
5.新能源的开发
（1）.新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。
（2）.无穷无尽的太阳能：
九、板书设计：
热力学第二定律的微观意义：
1.有序和无序
2.热力学第二定律的微观意义：
3.熵增加原理
能源和持续发展：
1.能量耗散：
2.品质降低：
3.能源：
十、教学反思
能源和环境是社会关注的两个问题。通过本节的学习，是学生理解这两个社会问题产生的原因，使学生理解开发利用清洁能源的价值，让学生提高科学观念，提高社会责任感。

10.5热力学第二定律的微观解释
10.6 能源和可持续发展学案
一、预习目标：
1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。
2.了解热力学第二定律的微观意义。
3.了解熵的概念，知道随着条件的变化，熵是变化的。
4.理解能量耗散和品质降低的概念，能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。
5.了解常规能源的使用带来的环境污染。
二、预习内容：
（一）热力学第二定律的微观解释：
1.有序和无序
有序： 。
无序： 。
2.热力学第二定律的微观意义：
。
3.熵和系统内能一样都是一个 函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。
熵增加原理的内容： 。
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程度更大的方向发展。
（二）能源和持续发展：
1.能量耗散： 。
2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。
能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。
3.能源：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。
常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水力等。
三、提出疑惑、

课内探究学案
一、学习目标
1.理解热力学第二定律的微观意义。了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。
2.理解能量耗散和品质降低的概念。
二、学习过程
典例探究
例1 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？
解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。
例2.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=лr2υtρ，这些气流的动能为 mυ2；转变的电能为 ，故风车带动发电机发电的功率为

代入数据以后得P=3.4kW
友情提示：从能量守恒定律入手，注意能量转移的方向性是解答本题的关键。
例 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=лr2υtρ，这些气流的动能为 mυ2；转变的电能为 ，故风车带动发电机发电的功率为
代入数据以后得P=3.4kW
友情提示：从能量守恒定律入手，注意能量转移的方向性是解答本题的关键。
三、反思总结

四、当堂检测
1.一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？

2.保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化？
增加
3、.能源可划为一级能源和二级能源。自然界以现成形式提供的能源称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效而没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取：2H2O=2H2+O2-517.6，下列叙述正确的是（ ）
A.电能是二级能源 B.水力是二级能源
C.天然气是一级能源 D.焦炉气是一级能源
课后练习与提高
1、.下面的叙述中正确的是（ ）
①不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化
②不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
③所谓“能源”，指的就是能够提供可利用能量的物质
④能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性
A.①② B. ①②③④ C.③④ D.②③
2、.常规能源的利用带来很多环境问题，如煤和石油的燃烧会产生大量的二氧化碳，其主要危害是 。
3、.煤在燃烧时产生的二氧化硫等物质对环境的主要危害是 。
当堂检测
1、减少
2、增加
3、AC
课后练习与提高
1、B
2、产生“温室效应”
3、形成酸雨、腐蚀建筑物、酸化土壤。

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