高中物理第十章热力学定律5热力学第二定律的微观解释6能源和可持续发展课后检测含解析新人教版选修3-3 7页

热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展 记一记 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展知识体系 一个定义——熵 三个理解—— ‎ 辨一辨 ‎1.有序与无序是相对的(√)‎ ‎2．对任何一件事物，如果规定得越多，限制越多，它的无序性就越大．(×)‎ ‎3．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序．(×)‎ ‎4．能量耗散使能量的总量减少，违背了能量守恒定律．(×)‎ ‎5．能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用．(√)‎ ‎6．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的．(×)‎ ‎7．能量耗散导致能量品质的降低．(√)‎ 想一想 ‎1.太阳能是一种具有良好开发前景的新能源，与常规能源相比它具有哪些优点？‎ 提示：太阳能作为一种新能源，与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源．据估计，在过去漫长的10亿年中，太阳消耗了约本身能量的2%，今后足以供给地球人类使用几十亿年，可以说是取之不尽，用之不竭．第二，地球上无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题．第三，太阳能是一种洁净能源．在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡．‎ ‎2．成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的，请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中．‎ 提示：由于盆的形状确定，水在盆中所处的宏观态对应的微观态数目少，较为有序．当把水泼出后，它的形状不受盆的限制，各种可能的形状都有，此时所处的宏观态对应的微观态数目将变得非常多，较为无序．因为自发的过程总是从有序向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中．‎ 思考感悟：　‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ 练一练 ‎1.下列关于熵的有关说法错误的是(　　)‎ A．熵是系统内分子运动无序性的量度 B．在自然过程中熵总是增加的 - 7 -‎ C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大代表越无序 解析：根据熵增加原理，不可逆过程总是朝着熵增大的方向进行．‎ 答案：C ‎2．(多选)关于有序和无序、宏观态和微观态，下列说法正确的是(　　)‎ A．有序和无序是绝对的 B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”‎ C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”‎ D．无序意味着各处一样、平均、没有差别 解析：因为无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；而有序和无序是相对的，故A项错误；而一个“宏观态”可能对应一个或多个“微观态”，所以B项正确，C项错误．‎ 答案：BD ‎3．(多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则B分布更无序 B．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则A分布更无序 C．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的 D．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是不可逆的 解析：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．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则说明B分布更无序一些，A项正确，B项错误．大量分子的集合自发的运动过程是不可逆的，D项正确，C项错误．‎ 答案：AD ‎4．以下说法正确的是(　　)‎ A．煤、石油、天然气等燃烧时可放出氧气 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 解析：煤、石油、天然气等是动植物转化成的，燃烧时放出二氧化碳，A项错；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项错；水能是可再生能源，C项对；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D项错．‎ 答案：C 要点一 热力学第二定律的微观意义 ‎1.(多选)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 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，而不是变得有序，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，C、D两项正确．‎ 答案：CD ‎2．下面关于熵的说法错误的是(　　)‎ - 7 -‎ A．熵是物体内分子运动无序程度的量度 B．在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向减少的方向进行 C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的 D．熵值越大，代表系统分子运动越无序 解析：熵是物体内分子运动无序程度的量度，熵越大则物体内分子运动无序程度越大，A项正确；在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向增加的方向进行，B项错误；热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，C项正确；熵值越大，代表系统分子运动越无序，D项正确．‎ 答案：B ‎3．(多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　)‎ A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律 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 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减小的方向进行 D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 解析：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个统计规律，故A项对，B、C两项错．任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是朝着熵增加的方向进行，故D对．所以选A、D两项．‎ 答案：AD ‎4．(多选)对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(　　)‎ A．系统的总熵只能增大或不变，不可能减小 B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小 C．系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展 D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展 解析：根据熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，A对，B错．根据热力学第二定律的微观解释可知，一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的，C对，D错．‎ 答案：AC 要点二 能源和可持续发展 ‎5.关于能量和能源，下列说法正确的是(　　)‎ A．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源 B．能量耗散说明能量在转化的过程中，其总量会不断减少 C．能量耗散现象说明，在能量转化的过程中，可利用的品质降低了 D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 解析：在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但可利用率越来越小，故仍需节约能源，故A项错误；能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小，但总量不会减少，故B项错误；能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小，可利用的品质降低了，故C项正确；能量既不会产生也不会消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，故D项错误．‎ 答案：C ‎6．在丹麦首都哥本哈根召开的世界气候大会上，中国承诺2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现作为负责任大国的承诺，我们应当大力开发和利用下列能源中的(　　)‎ A．石油 B．太阳能 ‎ C．天然气 D．煤炭 解析：太阳能是一种洁净能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡，而其他三种能源在使用时都会有大量二氧化碳和一氧化碳排放到大气中．‎ - 7 -‎ 答案：B ‎7．[2019·太原高二检测](多选)煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境．最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%)，把煤“吃干榨尽”．下列有关说法中正确的是(　　)‎ A．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化 B．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化 C．该技术实现了煤的清洁利用 D．该技术实现了煤的高效利用 解析：煤粉加压气化制备合成气过程中既有物理变化，又有化学变化，A项正确，B项错误；该技术使煤得以良好利用又环保，C、D两项正确，故选A、C、D.‎ 答案：ACD ‎8．(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是(　　)‎ A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”‎ B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中的二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”‎ C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化 D．“温室效应”使得土壤酸化 解析：“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量．它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升，淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C两项正确．‎ 答案：BC 基础达标 ‎1.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 解析：煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得了大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气，而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故答案应选D.‎ 答案：D ‎2．(多选)下列关于晶体熔化的说法中正确的是(　　)‎ A．在晶体熔化的过程中，温度不变，分子热运动的平均速率不变，则无序程度不变 B．晶体熔化时，分子的平衡位置在空间的较为规则排列，变为分子的平衡位置在空间的较为无序排列，则无序度增大 C．在晶体熔化的过程中，熵将保持不变 D．在晶体熔化的过程中，熵将增加 解析：在晶体熔化的过程中，分子的平衡位置由较有规则变为无规则，无序度增大，熵将增加，故B、D两项对．‎ 答案：BD ‎3．关于能源的开发和利用，下列观点不正确的是(　　)‎ A．能源是有限的，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保护 D．不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的主要途径 - 7 -‎ 解析：能量守恒定律是自然界普遍存在的规律，但由于能量耗散，所以仍存在能源危机问题．‎ 答案：B ‎4．(多选)二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气以后被二氧化碳截获，最后使大气升温，大气中的二氧化碳像暖房的玻璃一样，只准太阳的辐射热进来，却不让室内的长波热辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应．这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是(　　)‎ A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高 B．经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命 C．由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高 D．现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，使电能和其他形式的能转化为内能 解析：地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律．由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，这是必需的现象，进而导致当时地球的气温很高．地球上的岩石由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了生命适合生存的条件．由于工业的发展和人类的活动，大量地使用常规能源，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高．生活用电和工业用电是电能和其他形式的能的转变，会产生热，四个选项都很正确，但就温室效应这一点而言，A、B、C是正确的．‎ 答案：ABC ‎5．下列叙述中正确的是(　　)‎ A．对一定质量的气体加热，其内能可能减小 B．在任何系统中，一切过程都朝着熵增加的方向进行 C．物体的温度升高，分子热运动变得剧烈，每个分子动能都增大 D．根据热力学第二定律可知，热量能够从高温物体传到低温物体，但不可能从低温物体传到高温物体 解析：对一定质量的气体，内能的变化既与热传递有关又与做功有关，对气体加热，气体的内能可能减小，A项正确；系统总是自发地朝着熵增加的方向进行，B项错误；温度升高，分子的平均动能增大，但每个分子的动能不一定都增大，C项错误；热量在一定条件下可以从低温物体传到高温物体，D项错误．‎ 答案：A ‎6．(多选)倒一杯热水，然后加入适量的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是(　　)‎ A．溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的 B．溶解过程是由有序向无序转变的过程 C．结晶过程是由有序向无序转变的过程 D．结晶过程不是自发的，因为有外界的影响 解析：溶解过程是自发的，是由有序向无序转变的过程；结晶过程是因为外界温度降低或者水的蒸发引起的，不是自发的，因此A、C两项错误，B、D两项正确．‎ 答案：BD ‎7．已知一个系统的两个宏观态甲、乙，其对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于两个宏观态的描述及自发过程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 解析：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进行的方向，微观态数目越多，表示越无序，故甲较有序，乙较无序，B、D两项错误；一切自发过程总沿着无序性增大的方向进行，即甲→乙，A项正确，C项错误．‎ - 7 -‎ 答案：A ‎8．(多选)足球运动员在比赛中摔倒造成粉碎性骨折，关于这一过程下列说法正确的是(　　)‎ A．此过程是一个可逆过程 B．此过程是一个不可逆过程 C．此过程中熵增加 D．此过程中熵减少 解析：由于完好的骨头形状确定，故完好的骨头所处的宏观态对应的微观态较少，熵小，较为有序．发生粉碎性骨折后，其所处的宏观态对应的微观态较多，熵大，较为无序，故在这一过程中熵增加，且此过程不可逆．故BC项正确．‎ 答案：BC ‎9．(多选)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 解析：熵是分子运动无序程度的量度，熵值越大，意味着系统无序程度越高；熵值越小，意味着系统越有序．故A、D两项正确．‎ 答案：AD ‎10．用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空(如下图①所示)．现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如下图②所示)，这个过程称为气体的自由膨胀．下列说法正确的是(　　)‎ A．自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动 B．自由膨胀前后，气体的压强不变 C．自由膨胀前后，气体的温度不变 D．容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分 解析：气体分子永不停息地做无规则运动，故A项错误；自由膨胀，气体对外不做功，容器绝热，其热传递的能量为零．由热力学定律及其微观解释可知内能不变，温度不变，但由于体积增大，压强减小，故B项错误，C项正确；由于涉及热现象的宏观过程都有方向性．状态总是自发从有序向无序变化，故D项错误．‎ 答案：C ‎11．(多选)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 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，C、D两项正确．‎ 答案：CD ‎12．(多选)下列关于熵的说法中正确的是(　　)‎ A．熵是热力学中的一个状态量 B．熵是热力学中的一个过程量 C．熵值越大，无序程度越大 D．熵值越小，无序程度越大 - 7 -‎ 解析：熵值越大，无序程度越大，而熵是状态量．‎ 答案：AC ‎13．(多选)以下说法正确的是(　　)‎ A．满足能量守恒定律的宏观过程都是可以自发进行的 B．熵是物体内分子运动无序程度的量度 C．若容器中用活塞封闭着刚好饱和的一些水汽，当保持温度不变向下缓慢压活塞时，水汽的质量减少，密度不变 D．当分子间距离增大时，分子间引力增大，而分子间斥力减小 解析：自然界中与热现象有关的宏观过程都具有方向性，故A项错误；熵是物体内分子运动无序程度的量度，B项正确；向下压缩时气体温度不变，饱和汽压值不变，密度不变，体积减小则水汽的质量变小，C项正确；分子间的引力和斥力都随着分子间距离的增大而减小，D项错误．‎ 答案：BC 能力达标 ‎14.瀑布从‎20 m高处以‎103 m3‎/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以‎2 m/s的速度流出，水轮机再带动发电机发电．如果水的机械能转化为电能的效率是80%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取‎10 m/s2)‎ 解析：设t时间内流下的水的质量为m，以t时间内流下的水为研究对象，竖直下落到底部减少的机械能为 mgh－mv2‎ 转化为电能的功率为 P＝＝＝×0.8‎ 代入数据得P＝103×103××0.8 W≈1.58×105 kW.‎ 答案：1.58×105 kW - 7 -‎