高中物理 105.6 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展课件 新人教版选修33.ppt

5热力学第二定律的微观解释6能源和可持续发展 1 了解有序和无序是相对的 2 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 3 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 4 能用熵增加原理认识自然界中能量转化的方向性 能从熵增加角度认识当前的环境问题 5 了解能源及其分类 6 了解能源现状与社会可持续发展的关系 一 有序和无序宏观态和微观态 系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的 系统的宏观状态所对应的微观态的多少表现为宏观态的和 即对应微观态少的宏观态称为 而对应微观态多的宏观态称为 统计规律 有 序 无序 有序 无序 二 热力学第二定律的微观意义 气体向真空的扩散气体的自由扩散过程是沿着无序性的方向进行的 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的方向进行 增大 增大 三 熵 熵的概念物理学中用字母 表示一个宏观状态所对应的微观状态的 用字母s表示熵 则s kln 式中k叫做玻耳兹曼常数 熵增加原理在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会 这就是熵增加原理 也就是热力学第二定律的另一种表述 数目 减小 温馨提示由熵的定义可知 熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态 也就是出现概率较大的宏观状态 在自然过程中熵总是增加的 其原因并非因为有序是不可能的 而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多 就像把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多 四 能量耗散和品质降低 能量耗散 有序度较高 集中度较高 的能量转化为 流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象 各种形式的能量向内能转化方向是无序程度较小向无序程度较大的转变 是能 全额发生的 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 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 内能 自动发生 方向性 五 能源和环境 石油 酸雨 太阳能 温馨提示能量耗散虽然不会使能的总量减少 却会导致能量品质的降低 它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式 煤 石油 天然气等能源储存着高品质的能量 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内能 一 如何理解有序和无序 宏观态和微观态 有序和无序确定了某种规则 符合这个规则的就是有序的 不符合确定的规则和要求的分布是无序的 1 无序意味着各处都一样 平均 没有差别 而有序则是相反 2 有序和无序是相对的 举例 一副扑克牌 指定按黑桃 红桃 草花 方块的顺序排列 但对号码的大小不做要求 这样的排列对于完全杂乱的一副牌来说是有序的 但对于不仅有花样方面的要求 而且对号码顺序也有要求的排列来说 就是无序的了 宏观态和微观态当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的宏观态 如果使用分子数分布并且区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态 1 在热力学系统中 由于存在大量粒子的无规则热运动 任一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的 而且又都随时间无规则地变化着 系统中各个粒子运动状态的每一种分布 都代表系统的一个微观态 系统的微观态的数目是大量的 在任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态 2 规定了某种规则 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 微观态 不同的 宏观态 对应的 微观态 的个数不同 如果一个 宏观态 对应的 微观态 比较多 就说这个 宏观态 是比较无序的 二 热力学第二定律与熵 热力学第二定律的微观解释我们所说的有序状态 指的是对应着较少微观态的宏观态 自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态 因此自发的过程总是从有序向着无序发展的 熵的概念s kln 1 既然微观态的数目 是分子运动无序性的一种量度 由于 越大 熵s也越大 那么熵s自然也是系统内分子运动无序性的量度 2 熵是热力学中的一个重要的状态函数 或叫状态参量 热力学系统 研究对象 处于任何一个状态都对应着一个熵函数 熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度 熵值越大的状态 系统内粒子热运动就越混乱无序 熵值越小的状态 系统内粒子热运动的无序性就越小 熵增大原理 1 由熵的定义可知 熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态 也就是出现概率较大的宏观状态 在自然过程中熵总是增加的 其原因并非因为有序是不可能的 而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多 把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多 2 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 三 能源概念 分类 概念 能源是提供可利用能量的物质 能源的分类 特别提醒熵增加原理的适用对象是孤立系统 如果是非孤立系统 熵有可能减少 例1 2013 海口 一个箱子被分成a b两室 有四个不同颜色的小球被放在箱子中 象征着封闭系统进入了一个自发的过程 则a b两室中的小球在箱中共有多少种可能 每种可能称为一个宏观态 则每种宏观态对应的微观态有多少种 试用图例说明 解析设有红 黄 蓝 绿四个小球 把它们按如下方式放入箱中 如图所示 宏观态与微观态 如果不区分小球的颜色 则只会出现如图所示的5种可能 即有5个宏观态 而每种宏观态下 a中的小球可以是四种颜色中的任意几种的组合 由排列组合的知识知道 宏观态 1 对应1个微观态 宏观态 2 对应4个微观态 宏观态 3 对应6个微观态 宏观态 4 对应4个微观态 宏观态 5 对应1个微观态 即共存在16个微观态 如图所示 答案见解析借题发挥解题时应明确宏观态和微观态的定义 特别是它们的区别 是否区分每个分子 还要能熟练运用排列组合知识 在分析微观态的时候 应该有一个顺序 这样才能避免微观态的多余或遗漏 变式1 下列说法中正确的是 a 机械能和内能之间的转化是可逆的b 气体向真空的自由膨胀是可逆的c 如果一个 宏观态 对应的 微观态 比较多 就说明这个 宏观态 是比较有序的d 如果一个 宏观态 对应的 微观态 比较多 就说明这个 宏观态 是比较无序的解析一切热现象的宏观过程都是不可逆的 故a b错 微观态越多越无序 故选d 答案d 例2 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 热力学第二定律的微观意义 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 答案cd借题发挥解此类题目要理解好有序和无序 确定某种规则 符合这个规则的就是有序的 不符合确定的规则和要求的分布是无序的 无序意味着各处平均没有差别 而有序则相反 是按照某种规则排列的 有序与无序是相对的 变式2 关于孤立体系中发生的实际过程 下列说法中正确的是 a 系统的总熵只能增大 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解析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 答案ac 例3 2013 广州 能源问题是当前热门话题 传统的能源 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 如图10 5 6 1表示的是利用潮汐发电 左方为陆地和海湾 中间为大坝 其下有通道 水经通道可带动发电机 涨潮时 水进入海湾 待内外水面高度相同时 堵住通道如图甲 潮落至最低点时放水发电 如图乙 待内外水面高度相同时 再堵住通道 直到下次涨潮至最高点 又进水发电 如图丙 设海湾面积为5 0 107m2 高潮与低潮间高度差为3 0m 则一天内流水的平均功率为 mw 能源开发与利用 图10 5 6 1 借题发挥能源是人类生存和发展的重要支撑因素 海洋蕴藏着极丰富的能源 潮汐能 波浪能 温差能 盐度差能 海流能等 海洋能源亟待人类去开发 潮汐发电是海洋能开发较早的一种 我国潮汐能源约1 1 108kw 开发利用潮汐