选修3-3（高中物理旧教材同步讲义）第10章 5-6 热力学第二定律的微观解释同步讲义

5热力学第二定律的微观解释6能源和可持续发展[学科素养与目标要求]物理观念：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．科学思维：会对能源进行分类．科学态度与责任：增强保护环境的意识，节约能源．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S＝klnΩ，k表示玻耳兹曼常量，Ω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．1．判断下列说法的正误．(1)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的．(×)(2)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小．(×)(3)能源是取之不尽、用之不竭的．(×)(4)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(1)如图甲所示，一幅是阅兵式的图片，另一幅是清明上河图(局部)，从有序和无序的角度说明这两幅图有什么不同？(2)①如图乙所示，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．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)①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、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0.②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．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(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)(2019·樟树中学高二下月考)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是()A．熵越大，表示宏观态所对应的微观态数目越少B．气体向真空中扩散时，气体分子变成均匀分布的可能性最大C．我们所说的有序状态，指的是对应着较多微观态的那样的宏观态D．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答案BD解析根据熵的意义可知，一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大，故A错误；气体向真空中扩散时，气体分子变成均匀分布的可能性最大，选项B正确；根据熵的含义可知，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，故C错误；根据热力学第二定律可知，热传递的自然宏观过程具有方向性，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，故D正确．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(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？(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．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资源所产生的严重问题．(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．(对熵的理解)(多选)下面关于熵的说法正确的是()A．熵是物体内分子运动无序程度的量度B．与热现象有关的一个自发的过程总是向熵减少的方向进行C．热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行D．熵值越大，代表系统分子运动越无序答案ACD解析熵是热力学系统内分子运动无序程度的量度，熵值越大，表明系统内分子运动越无序，故A、D正确；与热现象有关的一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行，故B错误；热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行，热力学第二定律又称为熵增加原理，故C正确．3．(能量耗散的理解)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象．所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集并加以利用．下列关于能量耗散的说法中正确的是()A．能量耗散说明能量不守恒B．能量耗散不符合热力学第二定律C．能量耗散过程中能量仍守恒D．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程不具有方向性答案C解析能量还是守恒的，能量耗散符合热力学第二定律，C正确．4．(能源的开发和利用)(2019·天门市、潜江市、应城市高一下期中联考)能源问题关乎国家建设和社会发展，下列关于能量和能源的说法中正确的是()A．人类在历史的进程中不断地开发和利用新能源，创造了新的能量B．自然界的能量是守恒的，我们没有必要节约能源C．在利用能源的过程中，能量在数量上逐渐减少D．能源耗散说明能量在转化过程中具有方向性答案D解析人类在不断地开发和利用新能源，但是能量不能被创造，也不会消失，故A错误；自然界的能量是守恒的，但是由于可用能源是有限的，故需要节约能源，故B错误；在利用能源的过程中，由于能量是守恒的，能量在数量上并没有减少，故C错误；根据热力学定律可知，宏观自然过程自发进行具有方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，故D正确．一、选择题考点一热力学第二定律的微观解释1．(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、没有差别答案BD解析因为无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；有序和无序是相对的，故A项错误；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．2．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→甲答案A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对，B、C、D错．3．(多选)对“覆水难收”的叙述正确的是()A．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较少，较为有序B．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较多，较为无序C．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较多，较为无序D．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较少，较为有序答案AC解析一切自然过程总是从有序转化为无序，因此盆中的水是较为有序的，泼出的水是较为无序的．4．(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.考点二熵增加原理5．(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．考点三能源的开发和利用6．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D7．(2019·牌头中学高一下期中)低碳生活是一种绿色而又环保