高中物理 第十章 热力学定律 第5节、第6节 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展学案（含解析）新人教版选修3-3

第5节热力学第二定律的微观解释第6节能源和可持续发展

核心素养定位>>>

i.r解有序和无序概念，知道有序和无序是相对的，/解宏观态和微观态的概念。

2.知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系，知道热力学第二定律的微观解

释。

3.知道埔的概念，了解烯增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述。

4.了解什么是能量耗散和品质降低，了解能源与人类社会发展和环境的关系。

01课前自主学习KEQIANZIZHUXUEXI=-

一、热力学第二定律的微观解释

1.有序和无序、宏观态和微观态

(1)有序：一个系统的个体按确定的助I包有顺序的排列。

(2)无序：一个系统的个体分布没有确定的要求，分布是此随意的,称为无序。

(3)宏观态：一个四系统整体所处的状态叫做宏观态。

(4)微观态：宏观态系统内对应的不同分布状态就叫做微观态。

2.气体向真空的扩散

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性丝增大的方向进行。

3.炳

(1)定义式：笆S=*nC,式中S表示燧，4表示玻耳兹曼常量，。表示微观态的数目。

(2)意义：表示系统内分子运动无序性的尊量度。

(3)端增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总炳不会减小。

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)的能量转化为叁无序性更大的能量，流散到环

境中无法重新收集起来加以利用的现象。

(2)各种形式的能量向趴J能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态转

化，是能够因自动发生、困全额发生的。

(3)能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的因降低。

2.能源与环境

(1)人们把管煤、£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)化石能源的储藏是阻逊的。

(3)环境问题

化石能源的大量消耗带来的环境问题有西温室效应、扫酸雨、连气候异常等。

3.新能源的开发和利用

(1)化石能源的短缺和利用常规能源带来的拄环境污染,使得新能源的开发成为当务之

急。

(2)新能源主要有下列几种：

①理太阳能:②拉生物质能;③拦风能;④修水能(河流、潮汐)。

西太阳能、拄风能、苗水能是清洁能源。

判一判

(1)在任何自然过程中，一个孤立系统的总燧不会增大。()

(2)能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的保护。()

(3)根据能量守恒，能源应该是取之不尽，用之不竭的。()

(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。()

提示：⑴X⑵J⑶X⑷X

02课堂探究评价KETANGTANJIUPINGIIA==

课堂任务‘对有序和无序、宏观态和微观态的理解

阂画回国

1.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。

2.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述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别具体的分了•来描述的系统状态叫热力学系统的微观态。

例1(多选)以一副扑克牌为例，下列关于有序和无序、宏观态和微观态的认识中不正

确的是()

A.按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时

是有序的

B.将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克牌是无序的，每部分内部是有序的

C.一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗动一次就是一个微观态

D.•副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是•个宏观态，它是一-副扑克牌对应的•

个微观态

E.一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入

到奇数部分，它是该宏观态对应的个微观态

［规范解答］系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，一副扑克牌对应一个宏观

态，若扑克牌的排列是规则的，则对应的微观态是有序的，反之，是无序的。A中扑克牌的

排列是有确定规则的，是有序的，A正确。B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定规

律的，是有序的，每部分内部排列是没有规则的，是无序的，E不正确。一副扑克牌是一个

系统，足一个宏观态，洗动一次，系统内部排列不同，是这副扑克牌宏观态对应的一个微观

态，C正确。将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统，是一个宏观态，同时，它又

是一副扑克的i种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态，【)正确。从偶数

部分中抽出一张插入奇数部分中，不再对应于按奇偶分成两部分的扑克牌这一宏观态，也不

再是该宏观态对应的•个微观态，可以看做是•副扑克牌这•宏观态对应的微观态，E错误。

［完美答案］BE

［变式训练1］一锅开水投入了5个糖馅的甜汤圆，随后又投入了5个肉馅的或汤圆，

甜、咸汤圆在沸水中翻滚，象征着封闭系统进入了一个自发的过程。随后，用两只碗各盛了

5个汤圆，每碗汤圆中共有六种可能：

①全是甜的，②全是咸的，③1甜4咸，④4甜1咸，这是四种不平衡的宏观态，⑤2

甜3成，⑥3甜2成，这是两种相对平衡的宏观态。

两只碗各盛5个汤圆共有32种组合方式，我们称为32个微观态。试问：

(1)以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？请设计一个图表来表示；

(2)以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少？

5

答案(1)见解析(2)工

O

解析(1)宏观态对应的微观态个数0

宏观态全是用的全是成的1甜4成4甜1成2fill3咸3舌H2成

微观态个数11551010

(2)相对平衡的宏观态出现的概率为:

10+10_5

片1+1+5+5+10+10=§°

2

课堂任务^»热力学第二定律的微观意义

对嫡及嫡增加原理的理解

(1)焙是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分了•平均动能大小一样。系

统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的炳越大。

(2)系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减小。也

就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从燃的

意义上说，系统自发变化时总是向着燧增加的方向发展，不会变燃减少。

(3)任何宏观物质系统都有一定量的燧，炳也可以在系统的变化过程中产生或传递。

＞特别提醒热力学第二定律是•个统计规律：•个孤立系统总是从淄小的

状态向炳大的状态发展，而燧值较大代表着较多无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度

更大的方向发展。

国国屋I团

例2（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

［规范解答］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，其传递过程不能自发进行，故C、D正确。

［完美答案］CD

一网伴点拨］--------------------------------

从分子热运动的角度解释热传递的方向性

两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，总体上看，分子热运动的分布较为无

序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变的分散，分子热运动

的分布较为无序。由于一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，所以热传递中能量是

由高温物体传向低温物体的，热传递具有方向性。

［变式训练2］（多选）从微观角度看（）

A.热力学第二定律是一个统计规律

B.一个孤立系统总是从燧大的状态向熔小的状态发展

C.一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，,腐值越大

D.出现概率越大的宏观状态，焙值越大

答案ACD

解析由炳增加原理“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”

可知B错误，A、C、D正确。

3

课堂任务能源的开发和利用

阐回

1.能量耗散

（1）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。

（2）能量耗散虽然小会导致能量息量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将

能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。

2.能源的分类

能源分能源分

特点举例

类方法类名称

自然形成，未经太阳能、风能、地热

一次能源

加工能、核能、潮汐能

按形成

或转换焦炭、木炭、蒸汽、

由一次能源经加

特点分二次能源液化气、酒精、汽

工转换而成

油、电能

已大规模正常

常规能源煤、石油、天然气

使用

按利用

太阳能、核能、地

技术分正在开发，或有

新能源热能、海洋能、沼

新的利用方式

气、风能

可再生可循环使用、不水能、风能、生物

按可否能源断补充质能、地热能

再生分

不可再短期内无法转煤、石油、天然气、

生能源换获得核燃料

对环境基本上太阳能、海洋能、

清洁能源

按对环没有污染风能、水能

境污染

化石燃料（煤、石

情况分污染能源会严重污染环境

油、天然气）

•—医阿闺园

例3（多选）下列对能量耗散的理解正确的有（）

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

［规范解答］能量转化过程中总能量守恒，但散失在空气中的内能不可能收集起来用来

做功。

在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会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，宇宙的能量既没

有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误,

B、D正确。

［完美答案］BD

一网伴点拨］-----------------------------------

对能量耗散的理解

（1）能量耗散是能量从高品质能源向低品质能源转化和转移的过程。

（2）能量耗散是指能量的可利用程度降低。

［变式训练3］下列现象属于能量耗散的是（）

A.利用水流能发电转化为电能

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

【）.火炉把房子烤暖

答案D

解析能量耗散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能量耗散。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，才无法重新吸收并加以利用，但本题没有告诉这光能用来做什么，

故不能算能量耗散，只有火炉把房子烤热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，才是能量耗散。故D正确。

03课后课时作业KEHOUKESHIZUOYE=

A组：合格性水平训练

1.（对有序和无序、宏观态和微观态的理解）（多选）卜.列过程中不可逆的是（）

A.锤子打铁，铁发热

B.传热的容器内盛有液体，容器放在恒温的大水池内，不停地搅动液体，可保持温度

不变

c.在一绝热容器内，不同温度:的液体混合

D.在一绝热容器内，不同温度的氮气进行混合

答案ABCD

解析功变热是不可逆过程，故A符合题意。B中过程既有功变热，又有热传导，是不

可逆过程，故B符合题意。C中液体扩散是不可逆过程，故C符合题意。【）中具有一定温度

的热传导也是不可逆的，故D也符合题意。

2.（燧）在一定速度下发生变化的孤立系统，其总徜的变化情况是（）

A.不变B.可能增大或减小

C.总是增大D.总是减小

答案C

解析〜切孤立系统总向着总墉增大的方向发展。

（1）由燧的定义可知，隔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。在自然过程中燧总是增加的，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燧小的状

态向烙大的状态发展，而场值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更

大的方向发展。

3.（燧）（多选）下列关于烯的观点中正确的是（）

A.燧越大，系统的无序程度越大

B.对于一个不可逆绝热过程，其燧不会减小

C.气体向真空中扩散时，燧值减小

D.自然过程中端总是增加，因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多

答案ABD

解析烯是系统内分子运动无序性的量度，燧越大，其无序程度越大，A正确。不可逆

绝热过程，其宏观态对应微观态数目增大，其燧会增加，不会减小，B正确。气体向真空中

扩散，无序程度增大，燧值增大，C错误。自然过程中，无序程度较大的宏观态出现概率较

大，因而通向无序的渠道多，D正确。

4.（能源的开发和利用）（多选）关于能源的利用，下列说法中正确的是（）

A.由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以太阳能的开发在我国并不十分重要

B.能源的利用过程，实质上是能的转化和传递的过程

C.现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气

D.煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能

答案BCD

解析目前人类使用的能源主要的仍是煤、白油和大然气。燃料燃烧时，化学能转化为

内能，内能又可转化成机械能和电能。人类在生产和生活中需要各种形式的能，我们可以根

据需要把能源的能量转化成各种形式的能，以供利用。所以，能源的利用过程实质上是能的

转化和传递的过程。我国的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，且利用后不能再生，终有

用完的日子，所以开发和利用新能源，特别是核能和太阳能，是解决能源问题的出路。因此

在这四个说法中，错误的是A.B、C、I）止确。

5.（能源的开发和利用）关于开发能源和节约能源，你认为以下观点错误的是（）

A.能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是--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.能源的开发利用，必须同时考虑对环境的影响

D.利用核能是目前开发新能源的一种有效的途径

答案B

解析能量虽然守恒，但在利用其过程中，其形式在不断向低品质转化，可见能源是有

限的。在利用能源的同时，还应注意保持与环境的平衡，应选及

6.（能量耗散）热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象。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，只是能量的转化有方向性

D.待科技发达到一定程度时可消除能量耗散现象，实现第二类永动机

答案C

解析能量耗散仍遵守能量守恒定律，反映了自然界宏观过程具有方向性，无法消除，

应选C。

7.（燧）热力学第二定律的开尔文表述指出：内能与机械能的转化具有方向性。请结合

燧的变化加以解释。

答案见解析

解析机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化,物体运动状态的变化完全遵循

牛顿运动定律所反映的因果关系，这是一种有序的运动。热运动是大量分子的无规则运动，

系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一种无序的运动。机械运动向热运动的转

化，属于从有序向无序的转化，会导致端的增加，符合热力学规律，因此机械能可以全部转

化为内能。反之，热运动向机械运动的转化属于从无序向有序的转化，即从高爆向低燃转化,

不符合燃增加原理，因此内能向机械能的转化不能全部实现。

B组：等级性水平训练

8.（对有序和无序、宏观态和微观态的理解）如图所示，气体自由膨胀的不可逆性可以

用概率来说明，a、b、。三个分子在小月两室的分配情况如下表：

隔B

板-

c

力室abcabbeaccab0

B室.0cababbecaabc

则：（】）a分子出现在小室的概率为。

（2）a、b、。三分子全部回到力室的概率为________。

（3）若有个分子，则N个分子全部自动I可到A室的概率为________。

答案（1）1（2）1⑶J

ZoZ

解析a分子在自由运动后，在/室、N室的概率分别为*6分子在力室、8室的概率

分别为I，C分子在力室、〃室的概率分别为J，则a、b、。三分子都在力室的概率为［

乙乙乙乙乙

=1假设有N个分子，则全部在月室的概率为

9.（综合）质量•定的某种物质，在压强不变的条件下，由液态I到气态111（可看成理想

气体）变化过程中温度（7）随加热时间（力变化关系如图所示。单位时间所吸收的热量可看作

不变。

（1）（多选）以下说法正确的是。

A.在区间n,物质的内能不变

B.在区间IH,分子间的势能不变

c.从区间I到区间in,物质的烯增加

I）.在区间【，物质分子的平均动能随着时间的增加而增大

（2）在区间in,若将压强不变的条件改为体积不变，则温度升高________（填”变

快”“变慢”或“快慢不变”）。请说明理由。

答案（l）BCD（2）变快

根据热力学第一定律什"’和理想气体的状态方程4=。可知，在吸收相同的热

量0时，压强不变的条件下，/增加，版0,=

体积不变的条件下，甲=3△豆=0：

所以体积不变的怙况下温度升高变快。

解析（1）物质的内能是分子总动能与分子总势能之和，在区间H,温度不变，分子平

均动能不变，吸收的热量用来增加分子间势能，物质的内能增大，A错误：理想气体分子问

作用力为零，不考虑分子势能，B止确；从区间I到区间III,分子无规则运动加剧，嫌增加,

C正确：温度是分子平均动能的标志，1）正确。

（2）根据热力学第一定律△0-0+7•和理想气体的状态方程巧=。可知，在吸收相同的

热量。时，压强不变的条件下，/增加，收