選修3-3
第十章
10.5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋
10.6 能源和可持續(xù)發(fā)展
一、教材分析
熱力學(xué)第二定律以宏觀事實(shí)為基礎(chǔ)，告訴我們熱學(xué)現(xiàn)象和熱學(xué)過(guò)程應(yīng)該遵循的規(guī)律，本節(jié)要從微觀的角度說(shuō)明，為什么涉及熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過(guò)程會(huì)有這樣的方向性。
二、目標(biāo)
1.了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。
2.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。
3.了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。知道隨著條件的變化，熵是變化的。
4. 理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。.理解能源的利用實(shí)際上是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程。
5. 了解常規(guī)能源的使用帶來(lái)的環(huán)境污染。.了解開(kāi)發(fā)新能源的方法和意義。
三、重難點(diǎn)
1.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。
2.了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。
3..理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。
四、學(xué)情分析
學(xué)生掌握了熱力學(xué)第二定律，但不知道它的微觀解釋。本節(jié)中的概念“有序”、“無(wú)序”、“熵”不易理解。熱力學(xué)第二定律的微觀解釋較抽象�！澳茉春涂沙掷m(xù)發(fā)展”內(nèi)容簡(jiǎn)單，易于掌握。
五、教學(xué)方法
思考、討論、總結(jié)發(fā)言，多媒體。
六、課前準(zhǔn)備
預(yù)習(xí)學(xué)案 閱讀課本
七、課時(shí)安排 1課時(shí)
八、教學(xué)過(guò)程
（一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑
（二）情景引入、展示目標(biāo)
（三）合作探究、精講點(diǎn)撥
1.有序和無(wú)序
有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。
無(wú)序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無(wú)序。
無(wú)序意味著各處都一樣，平均、沒(méi)有差別，有序則相反。
有序和無(wú)序是相對(duì)的。
2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)
宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。
微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。
系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向性——從有序到無(wú)序。
3.熱力學(xué)第二定律的微觀意義
一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。
4.熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序(混亂)程度的定量量度。
一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過(guò)程中，系統(tǒng)的熵是增加的。
在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對(duì)于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。
從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。
典例探究
例： 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？
解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。
友情提示：本題考查的是對(duì)熵增加原理的理解和應(yīng)用。
1.能量耗散：系統(tǒng)的內(nèi)能流散到周圍環(huán)境中，沒(méi)有辦法把這些內(nèi)能收集起來(lái)加以利用，這種現(xiàn)象叫做能量耗散。
2.品質(zhì)降低：能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式叫品質(zhì)降低。
能量在利用過(guò)程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。
3.能源：能源是指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是現(xiàn)代社會(huì)生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
常規(guī)能源：指已被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等。
4.能源危機(jī)與環(huán)境污染
(1).近一百年，地球人口由16億增加到目前的50億，凈增了2倍多，而能源消耗據(jù)統(tǒng)計(jì)卻增加了16倍。按目前的消耗量，專家預(yù)測(cè)石油、天然氣最多只能維持半個(gè)世紀(jì)，煤炭尚可維持一二百年。
(2).能源利用的過(guò)程也直接污染著地球環(huán)境
①溫室效應(yīng)：化石燃料燃燒放出的大量二氧化碳，使大氣中二氧化碳的含量大量增高，導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，造成地面溫度上升，兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒(méi)沿海地區(qū)等不良影響。
②酸雨污染：排放到大氣中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水過(guò)程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨進(jìn)入地表、江河，破壞土壤，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，使生物死亡，破壞生態(tài)平衡。同時(shí)腐蝕建筑結(jié)構(gòu)、工業(yè)裝備、動(dòng)力和通訊設(shè)備等，還直接危害人類健康。
③臭氧層的破壞：臭氧層的存在對(duì)吸收紫外線方面起著舉足輕重的作用，一旦臭氧層遭到破壞，對(duì)生物有害的紫外線會(huì)毫無(wú)遮攔地照射到地面上，會(huì)提高皮膚癌和白內(nèi)障的發(fā)病率，也會(huì)影響我們的免疫系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)中生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、分布和生物地球化學(xué)循環(huán)都會(huì)造成一系列危害。
5.新能源的開(kāi)發(fā)
（1）.新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)和利用的能源，如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮�、海洋能、氫能等�?br>（2）.無(wú)窮無(wú)盡的太陽(yáng)能：
九、板書(shū)設(shè)計(jì)：
熱力學(xué)第二定律的微觀意義：
1.有序和無(wú)序
2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義：
3.熵增加原理
能源和持續(xù)發(fā)展：
1.能量耗散：
2.品質(zhì)降低：
3.能源：
十、教學(xué)反思
能源和環(huán)境是社會(huì)關(guān)注的兩個(gè)問(wèn)題。通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，是學(xué)生理解這兩個(gè)社會(huì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，使學(xué)生理解開(kāi)發(fā)利用清潔能源的價(jià)值，讓學(xué)生提高科學(xué)觀念，提高社會(huì)責(zé)任感。
10.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋
10.6 能源和可持續(xù)發(fā)展學(xué)案
一、預(yù)習(xí)目標(biāo)：
1.了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。
2.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。
3.了解熵的概念，知道隨著條件的變化，熵是變化的。
4.理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念，能源的利用實(shí)際上是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程。
5.了解常規(guī)能源的使用帶來(lái)的環(huán)境污染。
二、預(yù)習(xí)內(nèi)容：
（一）熱力學(xué)第二定律的微觀解釋：
1.有序和無(wú)序
有序： 。
無(wú)序： 。
2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義：
。
3.熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè) 函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序(混亂)程度的定量量度。
一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過(guò)程中，系統(tǒng)的熵是增加的。
熵增加原理的內(nèi)容： 。
從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。
（二）能源和持續(xù)發(fā)展：
1.能量耗散： 。
2.品質(zhì)降低：能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式叫品質(zhì)降低。
能量在利用過(guò)程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。
3.能源：能源是指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是現(xiàn)代社會(huì)生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
常規(guī)能源：指已被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等。
三、提出疑惑、
課內(nèi)探究學(xué)案
一、學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.理解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。
2.理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。
二、學(xué)習(xí)過(guò)程
典例探究
例1 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？
解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。
例2.某地的平均風(fēng)速為5m/s，已知空氣密度是1.2kg/m3，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12m的圓面，如果這個(gè)風(fēng)車能將此圓內(nèi)10%的氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑒t該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？
解析：首先可以求出在時(shí)間t內(nèi)作用于風(fēng)車的氣流質(zhì)量為 m=лr2υtρ，這些氣流的動(dòng)能為 mυ2；轉(zhuǎn)變的電能為 ，故風(fēng)車帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的功率為
代入數(shù)據(jù)以后得P=3.4kW
友情提示：從能量守恒定律入手，注意能量轉(zhuǎn)移的方向性是解答本題的關(guān)鍵。
例 某地的平均風(fēng)速為5m/s，已知空氣密度是1.2kg/m3，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12m的圓面，如果這個(gè)風(fēng)車能將此圓內(nèi)10%的氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑒t該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？
解析：首先可以求出在時(shí)間t內(nèi)作用于風(fēng)車的氣流質(zhì)量為 m=лr2υtρ，這些氣流的動(dòng)能為 mυ2；轉(zhuǎn)變的電能為 ，故風(fēng)車帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的功率為
代入數(shù)據(jù)以后得P=3.4kW
友情提示：從能量守恒定律入手，注意能量轉(zhuǎn)移的方向性是解答本題的關(guān)鍵。
三、反思總結(jié)
四、當(dāng)堂檢測(cè)
1.一定質(zhì)量的氣體被壓縮，從而放出熱量，其熵怎樣變化？
2.保持體積不變，將一個(gè)系統(tǒng)冷卻，熵怎樣變化？
增加
3、.能源可劃為一級(jí)能源和二級(jí)能源。自然界以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一級(jí)能源；需要依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級(jí)能源。氫氣是一種高效而沒(méi)有污染的二級(jí)能源，它可以由自然界中大量存在的水來(lái)制取：2H2O=2H2+O2-517.6，下列敘述正確的是（ ）
A.電能是二級(jí)能源 B.水力是二級(jí)能源
C.天然氣是一級(jí)能源 D.焦?fàn)t氣是一級(jí)能源
課后練習(xí)與提高
1、.下面的敘述中正確的是（ ）
①不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化
②不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化
③所謂“能源”，指的就是能夠提供可利用能量的物質(zhì)
④能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有的方向性
A.①② B. ①②③④ C.③④ D.②③
2、.常規(guī)能源的利用帶來(lái)很多環(huán)境問(wèn)題，如煤和石油的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，其主要危害是 。
3、.煤在燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化硫等物質(zhì)對(duì)環(huán)境的主要危害是 。
當(dāng)堂檢測(cè)
1、減少
2、增加
3、AC
課后練習(xí)與提高
1、B
2、產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”
3、形成酸雨、腐蝕建筑物、酸化土壤。
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://douzifanli.com/gaoer/60194.html
相關(guān)閱讀：電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用