1、5 热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释 6 能源和可持续发展能源和可持续发展 学习目标 1.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关系.2.知道熵的概念， 了解熵增加原理， 知道它是热力学第二定律的另 一种表述.3.了解能量耗散、能源和环境 一、热力学第二定律的微观意义 1 有序和无序： 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(选 填“有”或“没有”)确定的要求，“怎样分布都可以”即无序 2宏观态和微观态：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 一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就
2、说这个“宏观态”是比较无序的 3热力学第二定律的微观意义 (1)气体向真空的扩散：气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的 (2)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 Skln ， k 表示玻耳兹曼常量， 表示一个宏观状态所对应的微观态的数目， 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，流散到环境中无法重新收集起来 加以利用的现象 (2)各种形
3、式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化， 是能够自动发生、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，它实际上是将能量 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能源与环境 (1)常规能源：人们把煤、石油、天然气等化石能源叫做常规能源，人类消耗的能源主要是 常规能源 (2)新能源：主要有太阳能、生物质能、风能、水能、核能等 (3)环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、光化学烟雾等 即学即用 1判断下列说法的正误 (1)一个系统中个
4、体排列的“有序”和“无序”是绝对的( ) (2)熵值越大代表着越有序( ) (3)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小( ) (4)能源是取之不尽、用之不竭的( ) (5)大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源( ) 2两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，直到两者温度相 等；一个温度处处相等的物体，不可能自发地变成一部分温度高，另一部分温度低这一事 实说明，一切自然过程总是沿着分子热运动_的方向进行 答案 无序性增大 一、热力学第二定律的微观意义 导学探究 (1)如图 1 所示，一幅是阅兵式的图片，另一幅是清明上河图(局部)，从这两幅 图中我们看出了什么？
5、图 1 (2)如图 2 所示，一个箱子被挡板均匀分为左、右两室，左室有 4 个气体分子 a、b、c、d， 右室为真空，撤去挡板后，气体自由扩散，以箱子内的 4 个分子为模型说明具有哪些可能的 宏观态和微观态， 并用热力学第二定律说明气体扩散后 4 个分子分布的最大一种可能和最小 一种可能的情况 图 2 试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左 2 右 2”这种均匀分布的可能性最大，能否 由此得出热力学第二定律的微观意义？ 答案 (1)阅兵式图片较有序，清明上河图较无序 (2)可能的宏观态有：左 0 右 4，左 1 右 3，左 2 右 2，左 3 右 1，左 4 右 0；对应的微观态 数目：1、
6、4、6、4、1.不同的宏观态包含着不同数量的微观态，其中分子分布的最大一种可 能情况是左 2 右 2，最小一种可能情况是左 0 右 4 或左 4 右 0. 从无序的角度看， 热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的 因为任何热力学过程都 伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的瞬间，分子仍聚集在左室，对于左、右两 室这一个整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就变 得无序了我们看到“左 2 右 2”这种均匀分布的可能性最大，而分子集中在一个室中，另 一个室变成真空的可能性最小 当气体系统中分子个数相当多时， 撤去挡板后实际上我们只 能看到气体向真空中扩散，而不
7、可能观察到气体分子重新聚集在一室中的现象因此，气体 的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的， 综上可知， 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，这就是热力学第二定律的微观意义 知识深化 1热力学第二定律的微观解释 (1)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 (2)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了，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 降低了，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 (3)换一种
8、角度看，初始状态我们根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态两个物体上 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 (4)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 2热力学第二定律的微观意义 (1)热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观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 (2)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” 3对熵的四点理解
9、 (1)熵的微观意义：熵是系统内分子热运动无序性的量度 (2)熵是表示一个体系自由度的物理量熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达 到的状态越多 (3)熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的 (4)熵的本质：熵是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大 例 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
10、大的方向进行 答案 CD 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，故选 C、D. 1一切自发过程都是不可逆的，是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化发展的过 程，即无序性增大的过程 2传热过程是大量分子由无序程度小的运动状态转化为无序程度大的运动状态的过程，体 现了热传递的方向性 例 2 (多选)下列关于熵的说法中正确的是( ) A熵越大，系统的无序度越大 B对
11、于一个不可逆的绝热过程，其熵增大 C气体向真空扩散时，熵值减小 D自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多很多 答案 ABD 解析 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，A 正确不可逆的绝热 过程，其宏观态对应的微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，B 正确气体向真空中扩 散时， 无序度增大， 熵值增大， C 错误 自然过程中， 无序度较大的宏观态出现的概率较大， 因为通向无序的渠道多，D 正确 二、能源和可持续发展 导学探究 (1)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
12、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？ (2)如图 3 所示是两幅宣传节约能源的图片请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节 约能源？ 图 3 (3)化石能源的大量消耗会带来哪些环境问题？ 答案 (1)内能 (2)能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量 释放出来并最终转化为低品质的能量 (3)温室效应、酸雨、光化学烟雾等 知识深化 1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
13、次能源 由一次能源经过加工转换 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 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、 沼气能、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 按对环境污 染情况分 清洁能源 对环境基本没有污染 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) 2.能源开发和利用 加强新能源，特别是清洁能源的开发和利用，控制化石能源开采，提高能源的利用率，降低
14、 对环境的污染 3能源对环境的影响 (1)常规能源对环境的影响：石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量， 产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升，海水倒灌、耕 地盐碱化这些都是人类过度开发自然所产生的严重问题 (2)做好环境保护工作：目前的任务是采用能源新技术，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；提高汽车发动机效率，解决尾气问题，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，变废为宝 例 3 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
15、一种盲目的短期行为 B根据能量守恒定律，担心能源枯竭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 能量虽然守恒， 但能量耗散导致能量的品质降低即不可再利用， 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 能量与能源的区别 1能量是守恒的，既不会增加也不会减少 2能源是能够提供可利用能量的物质 3能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源 例 4 (多选)下列对能量耗散理解正确的是( ) 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
16、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 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的内能， 无法再回收利用，这种现象叫能量耗散能量耗散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 1.(热力学第二定律的微观意义)下列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
17、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会减小 答案 A 解析 热力学第二定律是一个统计规律，A 对；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，B、C 错；任何自然过程总是朝 着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，故 D 错 2(熵增加原理)(多选)关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 答案 AC 解析
18、在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增加的，它不可能减小，故 A 正 确，B 错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故 C 正确，D 错误 3(能源开发与利用)下列哪些现象属于能量耗散( ) A利用水流能发电变成电能 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 4(能源与环境)(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，两极冰雪熔化 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、两极冰雪熔化、海平面上升淹没沿海城市等，故正 确答案为 B、C.