物理人教版选修3-3导学案第十章第6节能源和可持续发展

6能源和可持续发展内容要求热力学第二定律的微观解释了解有序和无序是相对的；知道宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应关系；知道熵的概念，知道熵是描述系统无序程度的物理量，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述，能用熵增加原理解释生活中的一些现象。能源和可持续发展了解什么是能量耗散，能利用熵增加原理认识自然界中能量转化的方向性，能从熵增加的角度认识当前环境问题，增强环保意识和可持续发展意识。如图所示，威武的解放军在国庆60周年阅兵式上整齐的行进；春运中拥挤的人群杂乱无章。这两个例子中，哪个是有序的，哪个是无序的？自发的过程是从有序向着无序发展还是从无序向着有序发展？提示：前者是有序的，后者是无序的。自发的过程是从有序向着无序发展。一、热力学第二定律的微观解释1．有序和无序(1)概念：一个系统的个体按确定的________有顺序的排列即为有序；如果对个体的分布没有____的要求，“怎样分布都可以”即为无序。(2)特点：有序和无序是____的，即存在一个有序程度的问题。2．宏观态和微观态(1)概念：在统计物理学中，规定了某种____，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“____态”，不同的“宏观态”对应的“微观态”的个数不同。(2)特点：如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，那么这个“宏观态”是比较____的。3．热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性____的方向进行。这就是热力学第二定律的微观意义。4．熵及熵增加原理(1)熵①物理意义：用来量度系统________的物理量叫做熵。②表达式：S＝______，其中k表示玻尔兹曼常数，Ω表示一个宏观态所对应的微观态的____，S表示熵。(2)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会____。这就是用熵的概念表示的________定律。思考1：质量相同、温度相同的水，如图所示分别处于固态、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？二、能源和可持续发展1．能量耗散和品质降低(1)能量耗散集中度较高(有序度较高)的能量，当它们变为环境的内能后，就成为更加____因而也是______更大的能量，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散。(2)能量品质降低各种形式的能量向内能的转化，是无序程度____的状态向无序程度____的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。而内能向机械能的转化是______的，即环境中必须存在温度差，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，内能较之机械能、电能等，是一种______的能量。思考2：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？2．能源与环境(1)能源的种类①常规能源：煤、____、天然气等。②新能源：____能、生物质能、风能、水能等。(2)环境问题：化石能源的资源有限，而且使用时对环境有很大的破坏，造成的环境污染主要有：____效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘等。答案：一、1.(1)某种规则确定(2)相对2．(1)规则微观(2)无序3．增大4．(1)①无序程度②klnΩ数目(2)减小热力学第二思考1提示：气态时的熵最大，其次是液态，固态时熵最小。这是因为质量相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，也可由液态自发地向气态转化，根据熵增加原理，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小。二、1.(1)分散无序度(2)较小较大有条件低品质思考2提示：能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。可见，虽然能量不会减少，但方便使用的能源会越来越少，所以要节约能源。2．(1)石油太阳(2)温室一、对热力学第二定律微观意义的理解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。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。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。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，而最终状态是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。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。4．热力学第二定律的微观意义热力学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”。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度更大的方向发展。如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。二、能源及能源的开发与利用1．能源的概念：能源是提供可利用能量的物质。2．能源的分类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、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)3．能源的开发与利用关系图4．当前我国的几大能源工程(1)“西气东输”工程是我国西部开发的重要项目之一，它是把新疆、内蒙、甘肃等西部地区的天然气开发出来，通过地下输气管道送到江、浙、沪等对能源需求量大的地区。(2)“南水北调”工程是继三峡工程之后，我国又一重大的国土建设工程，它对中国社会进步和经济持续发展的意义甚至超过了三峡工程，对我国提高水资源利用效率、合理配置资源、改善北方缺水地区的生态环境有重大的意义。(3)“西电东送”工程也是西部大开发的标志性工程，是把云、贵、川、陕等西部地区的电力资源输送到电力紧缺的粤、沪、江、浙和京、津等地区，把西部丰富的资源优势转化为经济优势，并为东部提供清洁的电力，以促进东、西部的共同发展。(4)“热电联产”工程，既发电，又集中供热，具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电供应等综合效应。×1011kW·h的电能。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，将能量从高度有用的形式降为不大有用的形式，所以要节约能源。类型一对热力学第二定律微观意义的理解【例1】关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是()。A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B．传热的自发过程是大量分子从无序运动状态向有序运动状态转化的过程C．传热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点拨：一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。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。传热的自发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。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。答案：CD题后反思：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，其逆过程不能自发进行。类型二能源的开发和利用【例2】某地强风的风速约为v＝20m/s，设空气密度为ρ＝1.3kg/m3，如果能利用该强风进行发电，并将其动能完全转化为电能，现考虑用横截面积S＝20m2(1)利用上述已知量计算电功率的表达式。(2)电功率大小约为多少？(取1位有效数字)点拨：可假设一段时间t，先求t时间内吹过风车的空气的质量，再求其动能，最后由P＝eq\f(E,t)求功率。解析：(1)设考虑时间t内吹到风力发电机上的空气，则空气质量m＝ρSvt空气动能Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)ρStv3由能量守恒有：E＝Ek＝eq\f(1,2)ρStv3所以发电机电功率P＝eq\f(E,t)＝eq\f(1,2)ρSv3(2)代入数据得：P＝eq\f(1,2)××20×203W＝1×105W答案：(1)P＝eq\f(1,2)ρSv3(2)1×105W题后反思：本题是新型能源风能发电的模型，考查了动能、功率、能的转化等知识。计算过程中要注意构建正确的气流柱体模型，理清各物理量间的关系，就可以使用能量守恒定律正确分析该题。1．已知一个系统的两个宏观态甲、乙，及对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是()。A．甲比较有序，乙比较无序，甲→乙 B．甲比较无序，乙比较有序，甲→乙C．甲比较有序，乙比较无序，乙→甲 D．甲比较无序，乙比较有序，乙→甲2．下列关于熵的说法中正确的是()。A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序3．(2011·衡阳高二检测)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是()。A．禁止使用煤、石油和天然气 B．开发使用核能、太阳能C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气 D．植树造林4．下列对能量耗散的理解中，正确的是()。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5．能源问题是当前热门话题，传统的能量——煤和石油，由于储量有限，有朝一日要被开采完毕，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。×107m2答案：1．A一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度，从中还可以推知系统自发的方向，微观态数目越多，表示越无序，一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行，A项正确，B、C、D项错误。2．AD熵是分子运动无序程度的量度。3．BD可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D可行。题中A、C两项措施虽然有效，但并不可行。4．B