人教版高中物理选修3课件第10章 热力学定律-5热力学第二定律的微观解释  49页

§5.6.热力学第二定律的微观解释　 §能源和可持续发展 § 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 某 种 确 定 的 ，有顺序地排列称为有序． § ( 2 ) 无 序 ： 一 个 系 统 的 个 体 分 布 没 有 确 定 的 ，分布是随意的，称为无序． § (3)宏观态：一个系统整体所处的状态就叫做 宏观态． § (4)微观态：宏观态系统内 的不同分布 状态就叫做微观态． 规则 规则 对应 § 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 增 大的方向进行． § 3．熵 § (1)定义式：S＝klnΩ，式中S表示熵，k表示 ，Ω表示微观态的 ． § (2)意义：表示系统内分子运动 的量度． § (3)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统 的总熵不会 ． 无序性 玻耳兹曼常量 数目 无序性 减小 § 二、能源和可持续发展 § 1．能量耗散与品质降低 § (1)能量耗散 § ①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． § ②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 ． 内能 方向性 § (2)能量品质降低 § ①各种形式的能量向内能的转化，是微观领域 内由无序程度较小的状态向无序程度较大的状 态转化，是能够自动发生、全额发生的． § ②内能向机械能的转化过程，由热力学第二定 律知道，这种转化是有条件的，即环境中必须 存在着温度差，而且内能不能全额转化为机械 能． § ③因此，从可被利用的价值来看，内能相对于 机械能、电能等，是一种低品质的能量． § 2．能源与人类社会发展 § (1)能源是社会存在与发展永远不可或缺的必 需品，是国民经济运行的物质基础，它与材料、 信息构成现代社会的三大支柱． § (2)能源科技的每一次突破，都带来了生产力 的巨大飞跃和社会的进步． § 3．能源与环境 § 能源种类：煤、 、天然气等常规能源 § 环境问题：温室效应、 、光化学烟雾 石油 酸雨 § 4．开发新能源 § (1)化石能源的短缺和利用常规能源带来的环 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太阳能 § ② . § ③风能 § ④水(河流、潮汐)能 § 太阳能、风能、水能是清洁能源 生物质能 § 一、热力学第二定律的微观意义的理解 § 1．有序、无序的含义 § “无序”意味着各处一样、平均、没有差别， 而有序则正好相 反． § 2．熵的含义 § “有序”和“无序”是相对而言的，是从有序 程度上讲的，熵是宏观态无序程度的量度，熵 越高，意味着宏观态所对应的微观态数目越多， 即越无序，熵越低即越有序． § 3．热力学第二定律的微观解释 § 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．所以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．换一种角度看，初始我们根 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． § 同理可知，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． § 4．热力学第二定律的微观意义 § 第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观的自然 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．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”． § 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 § 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 § 二、能源的分类与应用 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、水能 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、风能 能源分 类方法 能源分 类名称 特点 举例 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、 核燃料 按对环 境污染 情况分 清洁能源 对环境基本上没 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) § 【特别提醒】　大量能量的使用不会使能 的总量减少，却会导致能量品质的降低， 将能量从高度有用的形式降为不大可用的 形式，所以要节约能源． § 以下说法正确的是(　　) § A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追 溯到太阳能 § B．汽油是一种清洁能源 § C．水能是可再生能源 § D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不 竭的 § 解析：　煤、石油、天然气等是动植物转化成 的，其来源可追溯到太阳能，A对；汽油燃烧 会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生 成，B错；水源是可再生能源，C对；煤、石 油等存量是有限的，是不可再生能源，D错． § 答案：　AC § ◎ 教材资料分析 § 〔思考与讨论〕——教材P67 § 下面这些过程中，能量的“归宿”在哪里？ § 流水带动水磨做功，什么能转化成了什么能？ 流水的机械能最终将转化为什么能？传说中， 三国时代的猛张飞站在当阳桥前一声吼，“喝 断了桥梁水倒流”，吼过之后静下来，他的声 能最终转化为什么能？ § 日光灯把教室照得如同白昼，关灯后满屋漆 黑．原先的光能最终将转化为什么能？ § 把电炉接入电路，电能表转得飞快，表明消耗 着电能．这些电能最终将转化为什么能？ § 燃烧过程中燃料的化学能要释放出来．这些化 学能最终将转化为什么能？ § 【点拨】　流水带动水磨做功，水的动能转化 为水磨的机械能，最后转化为内能．声能转化 为水的内能．日光灯原先的光能转化为内 能．电炉接入电路，电能最后转化为内能．燃 料燃烧释放出来的能量最终转化为内能. § 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、草花、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．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这 是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微 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一个微观态 § 解析：　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，B不正确． § 一副扑克牌是一个系统，是一个宏观态．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 一种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应 的一个微观态，D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一个微观态，可以当 做是一副扑克牌这一宏观态对应的微观态，E 错误． § 答案：　BE § 【反思总结】　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．热力学第二定律的适用范围： § (1)热力学第二定律是一个统计规律，只对有 大量分子所组成的系统才适用； § (2)不能把热力学第二定律推广到浩瀚的宇宙 中去，因为宇宙不是一个孤立的系统． § 【跟踪发散】　1－1：关于气体向真空中扩散 的规律的叙述中正确的是(　　) § A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全 部回到原状态的可能性越大 § B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全 部回到原状态的可能性越大 § C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布越 均匀，其宏观态对应的微观态数目越大 § D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运 动的无序性增大的方向进行 § 解析：　气体分子向真空中扩散时，分子数越 少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状 态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于 原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A 正确、B错误．扩散到真空中的分子在整个容 器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的 微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强， C、D正确． § 答案：　ACD § 关于能源的开发和利用，下列观点正 确的是(　　) § A．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．能源的开发和利用，必须同时加强对环境 的保护 § D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要 途径 § 解析：　 § 答案：　ACD § 【跟踪发散】　2－1：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．用太阳能灶供热 § 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. § 答案：　D § 1．下面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 不会减小 § 解析：　系统的热力学过程就是大量分子无序 运动状态的变化，从微观角度看，热力学第二 定律是一个统计规律，所以A对．热力学第二 定律的微观意义是“一切自然过程总是沿着分 子热运动无序性增大的方向进行”，所以B、 C均错．D是在引入熵之后对热力学第二定律 微观意义的描述，D对． § 答案：　AD § 2．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 § 解析：　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，B、D对． § 答案：　BD § 3．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环境生态平衡 § 解析：　从生活实际出发，应该知道现代社会 的工业、生活等会消耗大量的煤、石油、天然 气等化石燃料，它们在燃烧过程中会产生大量 的二氧化碳，这些二氧化碳直接排入大气中， 导致大气二氧化碳浓度增加． § 答案：　B § 4．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 § 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． § 答案：　C § 5．关于能源的开发和利用，下列观点不正确 的是(　　) § A．能源是有限的，无节制的利用能源，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．能源的开发和利用，必须同时加强对环境 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 § 解析：　化石能源的资源是有限的，因此 要开发和利用新能源，同时加强环境保护， 故选B. § 答案：　B § 6．煤、石油、天然气和生物质能资源的能量 形成和转换利用过程基本上是(　　) § A．太阳能辐射→化学能→热能 § B．太阳能辐射→机械能→电能 § C．生物质能→电能→化学能→热能 § D．太阳能辐射→机械能→化学能 § 解析：　太阳能辐射转化成了煤、石油、天然 气等的化学能，在对这些能源利用的过程中， 又把它们的化学能转化成了热能． § 答案：　A § 7．下列哪些现象属于能量耗散(　　) § 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 § D．火炉把房子烤暖 § 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， 才无法重新收集并加以利用，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． § 答案：　D § 8．根据热力学第二定律，下列判断正确的是(　 　) § A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 § B．电流的能不可能全部变成内能 § C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部 变成电能 § D．在热传递中，热量不可能自发地从低温物 体传递给高温物体 § 解析：　凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性，无 论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可 全部转化为内能．而内能不能全部转化为机械能”，故A正 确．火力发电机发电时．能量转化的过程为内能→机械能→ 电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故 燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确．热量从低温物体 传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助．结果 会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要 思想，故D正确．由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能 可以全部转化为内能，故B错误． § 答案：　ACD