(统编版)2020学年高中物理第三章热力学基础第五节能源与可持续发展第六节研究性学习能源的开发利用

第5、6节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展1.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。

2．热力学第二定律可叫做熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。

3．能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降低为不大可用的低品质形式。

一、热力学第二定律的微观解释1．有序、无序一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即无序。

2．宏观态、微观态系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态。

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增大的方向进行。

4．熵及熵增加原理(1)熵：表达式S＝k ln Ω，k叫做玻耳兹曼常量，Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目。

S表示系统内分子运动无序性的量度，称为熵。

(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减小。

二、能源和可持续发展1．能量耗散和品质降低(1)能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，成为更加分散因而也是无序度更大的能量，分散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。

(2)各种形式的能量向内能转化方向是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能自动发生、全额发生的。

(3)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方向性。

(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。

2．能源和环境1．自主思考——判一判(1)熵越小，系统对应的微观态就越少。

(√)(2)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会增加。

(×)(3)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动。

(×)(4)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质的降低。

高中物理知识点总结热力学基础IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】一.教学内容：热力学基础（一）改变物体内能的两种方式：做功和热传递1. 做功：其他形式的能与内能之间相互转化的过程，内能改变了多少用做功的数值来量度，外力对物体做功，内能增加，物体克服外力做功，内能减少。

2. 热传递：它是物体间内能转移的过程，内能改变了多少用传递的热量的数值来量度，物体吸收热量，物体的内能增加，放出热量，物体的内能减少，热传递的方式有：传导、对流、辐射，热传递的条件是物体间有温度差。

（二）热力学第一定律1. 内容：物体内能的增量等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q 的总和。

2. 表达式：。

3. 符号法则：外界对物体做功，W取正值，物体对外界做功，W取负值，吸收热量Q 取正值，物体放出热量Q取负值；物体内能增加取正值，物体内能减少取负值。

（三）能的转化和守恒定律能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它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。

在转化和转移的过程中，能的总量不变，这就是能量守恒定律。

（四）热力学第二定律两种表述：（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。

热力学第二定律揭示了涉及热现象的宏观过程都有方向性。

（3）热力学第二定律的微观实质是：与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的。

（4）熵是用来描述物体的无序程度的物理量。

物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大。

（五）说明的问题1. 第一类永动机是永远无法实现的，它违背了能的转化和守恒定律。

2. 第二类永动机也是无法实现的，它虽然不违背能的转化和守恒定律，但却违背了热力学第二定律。

（六）能源和可持续发展1. 能量与环境（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提高，导致“温室效应”，使得地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。

教学资料参考范本【2019-2020】高中物理第三章热力学基础第五节能源与可持续发展第六节研究性学习能源的开发利用教学案粤教版选修3_3撰写人：__________________部门：__________________时间：__________________第六节研究性学习——能源的开发利用与环境保护[目标定位] 1.了解能源与环境.2.知道能源开发和利用带来的问题及应该采取的对策.3.培养可持续发展的责任感和节约能源的意识．一、能源与环境、温室效应和酸雨[导学探究] 你知道产生温室效应和酸雨的主要污染物是什么吗？答案产生温室效应的污染物是二氧化碳，形成酸雨的主要污染物是二氧化硫和氮氧化合物．[知识梳理]1．温室效应(1)成因：温室效应是由于大气里温室气体含量增大而形成的，石油和煤炭燃烧时产生二氧化碳．(2)危害：温室效应会导致全球变暖、海平面上升、气候变化、疾病增多等．(3)改善措施：调整能源结构，控制二氧化碳的过量排放．具体措施：一是提高能源利用率；二是开发新能源．(4)新能源①清洁能源：如：核能、水能、太阳能、风能、地热能、沼气等．②新能源特点：污染少，可再生或资源丰富．2．酸雨(1)定义：pH值小于5.6的降水．(2)成因：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、氮氧化合物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨．(3)危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化、贫瘠，腐蚀建筑物和艺术品等．(4)防治：①健全法规，强化管理，控制排放．②发展清洁煤技术，减少燃烧过程SO2的排放．③通过改造发动机，安装汽车尾气净化器，用无铅汽油代替含铅汽油等手段，控制汽车尾气排放．二、能量降退与节约能源[导学探究] 流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？答案内能[知识梳理]1．能量降退(1)能量降退：能量可利用程度降低的现象．(2)能量降退从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性．(3)能量降退虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低(填“降低”或“提高”)，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大有用的形式．2．节约能源能量虽然不会减少，但能源会越来越少，所以要节约能源．三、能源的开发利用与环境保护1．新能源的开发(1)太阳能：有直接加热物体的太阳能热水器、太阳灶，有利用半导体材料把太阳能转化为电能的太阳能电池等，主要问题是只有白天工作，还要受天气影响，会妨碍大规模使用太阳能，要研究储存太阳能的方法．(2)水能：水能有巨大的开发潜力，可以开发梯级电站．(3)核能：是一个巨大的能源，通过原子反应堆进行核发电，主要应注意核泄漏、控制核污染．(4)风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”．我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电．2．做好环境保护工作目前的任务是采用环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；汽车尾气问题，达到废气“零”排放；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等污染问题，要变废为宝.一、能源与环境例1 (多选)关于温室效应，下列说法中正确的是( )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．石油和煤炭燃烧时增加了大气中二氧化碳的含量，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答案BC解析温室效应的产生是由于石油和煤炭的燃烧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××市、海水和河流倒灌等，故选项B、C正确．例2 人类只有一个地球，我们要保护赖以生存的环境．试完成以下三个题目：(1)下列哪一种不属于当今世界的三大环境问题 ( )A．酸雨B．臭氧层的破坏C．人口的急剧增长D．温室效应(2)酸雨的形成主要是由于 ( )A．大气中CO2含量的增加B．大气中SO2含量的增加C．乱砍滥伐森林，破坏生态环境D．大气中氟利昂含量增加(3)大气臭氧层 ( )A．能大量反射太阳辐射中的紫外线，所以那里的温度较低B．能散射太阳光中的紫外线，使地面生物免受紫外线之害C．是大气层中存在臭氧的唯一场所，我们应该加以保护D．吸收大量的太阳紫外线，减小到达地面的紫外线辐射答案(1)C (2)B (3)D解析(1)当今世界的三大环境问题是：酸雨的危害，臭氧层的破坏导致大气层的保护作用减弱，温室效应使地球温度普遍变暖，因此正确的选项是C.(2)酸雨形成的基本原因主要与煤炭和石油燃烧以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫和氮氧化合物污染物有关，二氧化硫和氮氧化合物污染物在大气中通过化学反应分别转化为硫酸和硝酸，混入雨水或者雪水中，使其酸度增加，同时酸雨的形成还与大气中其他的碱性物质有关，如空气中的氧化钙、土壤中的硫酸钙以及其他碱性物质可与酸发生中和反应，因此正确的选项为B.(3)大量的紫外线的照射可以对人和牲畜造成伤害，而大气臭氧层主要是吸收大量的紫外线，减小到达地面的紫外线辐射从而对地球上的生物起到保护作用，因此正确的选项为D.二、能量降退与节约能源例3 (多选)下列对能量降退理解正确的是( )A．能量降退说明能量在不断减少B．能量降退遵守能量守恒定律C．能量降退说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失D．能量降退从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性答案BD解析在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终转化为流散到周围环境中的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量降退．能量降退并不违反能量守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错，B、D对．三、能源的开发利用与环境保护例4 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 ．用太阳灶供热 答案 D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.能源与可持续发展⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧能源与环境⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧ 温室效应⎩⎨⎧ 成因危害防治措施酸雨⎩⎨⎧成因危害防治措施能量降退与节约能源能源的开发利用与环境保护1．(能源与环境)酸雨对植物的正常生长影响很大，为了减少酸雨的影响，应采取的措施是( )①少用煤作燃料②燃料脱硫③在已经酸化的土壤中加石灰④多种植美人蕉、银杏等植物⑤开发新能源A．①②④⑤ B．①②⑤C．①②③④⑤ D．①②③⑤答案A解析酸雨主要是由煤、石油等燃料燃烧所释放的SO2和氮氧化物在降水过程中溶入雨水中形成的．因而为减少酸雨的影响，少用煤作燃料和燃料脱硫是有效的方法．开发新能源也是减少煤使用量的方法，另外美人蕉和银杏对SO2有较强的吸收能力，所以①、②、④、⑤正确，应选A.2．(能源与环境)下列说法中不正确的是( )A．核能是一种常规能源B．煤、石油、天然气叫做常规能源C．大量消耗常规能源产生了“温室效应”D．燃烧煤炭时生成的二氧化硫使雨水酸度升高，形成酸雨答案A解析煤、石油、天然气属于常规能源，核能、地热能、海洋能、太阳能等则属于新能源．3．(能源降退与节约能源)关于能源的开发和利用，下列观点不正确的( )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．在对能源进行开发和利用的同时，必须加强对环境的保护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答案B解析能量是守恒的，但由于能量降退，使得能利用的能源越来越少．4．(能源的开发利用与环境保护)为了倡导“代碳生活”，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．煤炭答案B解析要减小碳排放，就必需利用非化石能源，即能源中不能含有C元素，而石油、天然气和煤炭都含有C元素，故应大力开发和利用太阳能，故B正确．题组一能源与环境1．下列叙述中不正确的是( )A．一般将pH小于5.6的降水称为酸雨B．无氟冰箱的使用会使臭氧层受到不同程度的破坏C．大气中CO2含量的增多是引起温室效应的主要原因D．“白色污染”是当前环境保护亟待解决的问题之一答案B2．CO2气体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．请回答：(1)大气中CO2增多产生的效应称为( )A．光热效应B．光电效应C．光气效应D．温室效应(2)导致大气中CO2浓度增加的主要原因是( )A．大量植物和生物物种灭绝B．大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧C．人口剧增，呼出的二氧化碳增多D．自然因素破坏了地球生态环境的平衡答案(1)D (2)B3．下列不属于火力发电厂的污染的是 ( )A．排放导致温室效应的气体B．废渣污染水土C．酸雨D．破坏大气臭氧层答案D解析煤中的可燃性硫经在锅炉中高温燃烧，大部分氧化为二氧化硫，其中只有0.5%～5%再氧化为三氧化硫．在大气中二氧化硫氧化成三氧化硫的速度非常缓慢，但在相对湿度较大、颗粒物存在时，可发生催化氧化反应．此外，在太阳光紫外线照射并有氧化氮存在时，可发生光化学反应而生成三氧化硫和硫酸酸雾，这些气体对人体和动、植物均有害．大气中二氧化硫是造成酸雨的主要原因：粉煤灰渣，是煤燃烧后排出的固体废弃物．其主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁及部分微量元素．粉煤灰既是“废”也是“资源”．如不很好处置而排入江河湖海，则会造成水体污染；煤燃烧产生的二氧化碳是导致温室效应的气体，故属于火力发电厂的污染；破坏大气臭氧层的气体主要是氟利昂，不属于火力发电厂的污染．题组二能量降退与节约能源4．下列关于能量降退的说法中不正确的是( )A．能量降退使能的总量减少，违背了能量守恒定律B．能量降退是指散失在环境中的内能不容易收集起来被人类利用C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动发生的D．能量降退导致能量品质的降低答案A5．下列现象属于能量降退的有( )A．利用水能发电转化为电能B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能C．电池的化学能转化为电能D．火炉把房子烤暖答案D解析能量降退是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的能不能称为能量降退．本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等．只有当用电灯照明时的光能被墙壁吸收之后变为周围环境的内能，才无法重新收集并加以利用，但本题没有告诉该光能用来做什么，故不能算能量降退．火炉把房子烤暖后使燃料的化学能转化成内能并流散在周围的环境中，无法重新收集并加以利用，属于能量降退．6．能源利用的过程实质上是( )A．能量的消失过程B．能量的创造过程C．能量的转化和转移过程D．能量的转化、传递并且逐渐消失的过程答案C解析能源利用的过程是做功或热传递的过程，前者是能量的转化，后者是能量的转移．题组三能源的开发利用与环境保护7．(多选)下面关于能源的说法中正确的是( )A．能源是取之不尽，用之不竭的B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源D．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大答案BC解析尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，A项错，B项对．常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大，C项对，D项错．8．作为新型燃料，从环保角度看，氢气具有的突出特点是( )A．在自然界里存在氢气B．氢气轻，便于携带C．燃烧氢气污染小D．氢气燃烧发热量高答案C解析氢气燃烧生成水，所以对环境污染小．9．关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的( ) A．常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现C．能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响D．通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径答案B解析虽然能量守恒，但能量的耗散导致能量的品质降低及不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B 选项错．。

能源与可持续发展知识点：能源与可持续发展一、能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．这个规律叫作能量守恒定律．二、能量转移或转化的方向性1．能量转移或转化的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．2．能量耗散(1)能量耗散的概念：燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用．电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些散失的能量收集起来重新利用．(2)能量品质降低：能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源．(3)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性．三、能源的分类与应用1．可再生能源：在自然界中可以再生的能源，如：水能、风能、潮汐能等．2．不可再生能源：自然界中无法在短时间内再生的能源，如：煤炭、石油、天然气等．3．我国在能源的开发利用方面，有以下几种发电方式：太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电．四、能源与社会发展1．人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期．2．人类社会可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡．人类要树立新的能源安全观，转变能源的供需模式：既要提倡节能，又要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等清洁能源．技巧点拨一、能量的转化与守恒1．自然界中不同形式的能量可以相互转化，一种形式的能量减少一定伴随着其他形式的能量增加，能量的总量保持不变．2．能量守恒定律的适用范围能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是在各种自然现象中普遍适用的一条规律．3．能量守恒定律的表达式(1)E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和．(2)ΔE增＝ΔE减，某些能量的增加量等于其他能量的减少量．4．应用步骤(1)明确研究对象及研究过程；(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化；(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少；(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．二、能源的分类与应用1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能2．能源的分类(1)可再生能源：自然界可以源源不断地提供，或在自然界中可以再生，如：水能、风能、潮汐能．(2)不可再生能源：自然界无法在短时间内再生，如：煤炭、石油、天然气．三、能源与社会发展1．能源的重要性：能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济运动的物质基础，它与材料、信息构成现代社会的三大支柱．2．能源和环境污染(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应．温室效应造成的影响：温室效应使两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化；温室效应使全球降水量变化，影响气候和植被变化，影响人体健康．(2)酸雨：酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水．形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤．(3)光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮的氧化物和碳氢化合物．这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾．这些物质有毒，能引起人的多种疾病．另外，常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物．例题精练1．（宝山区期末）在一间隔热非常好的密闭房间中，把正在工作的电冰箱门打开，室内空气温度将（）A．升高B．不变C．降低D．无法确定2．（松江区校级期末）下列说法中正确的是（）A．在一房间内，打开冰箱门再接通电源，过一段时间后，室内温度就会降低B．从目前的理论看来，只要实验设备足够先进，可以使温度降低到﹣273℃C．在对手机充电的过程中，提供的电能比电池得到的化学能要多D．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能而不引起其他变化随堂练习1．（连城县校级期中）能量守恒定律是自然界最基本的规律之一。