人教版熱力學(xué)第二定律的微觀解釋能源和可持續(xù)發(fā)展

第十章

熱力學(xué)定律10.5-10.6熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

能源和可持續(xù)發(fā)展1.了解有序和無(wú)序是相對(duì)的，知道宏觀態(tài)與微觀態(tài)，知道宏

觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無(wú)序程度的關(guān)系.2.知道熵的概念，了解熵增加原理，知道它是熱力學(xué)第二定

律的另一種表述.3.了解能量耗散、能源和環(huán)境．學(xué)習(xí)目標(biāo)定位學(xué)習(xí)探究區(qū)一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義二、能源和可持續(xù)發(fā)展一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義問(wèn)題設(shè)計(jì)返回1.如圖1所示，一個(gè)箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個(gè)氣體分子a、b、c、d，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴(kuò)散，以箱子內(nèi)4個(gè)分子為模型，說(shuō)明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說(shuō)明，氣體擴(kuò)散后4個(gè)分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況．圖1一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回答案

可能的宏觀態(tài)有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目：1、4、6、4、1.不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能情況是左2右2，最小一種可能情況是左0右4或左4右0.一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回2．試著從無(wú)序的角度談?wù)勆厦鎲?wèn)題中為什么“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，能否由此得出熱力學(xué)第二定律的微觀意義？答案

從無(wú)序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無(wú)序運(yùn)動(dòng)的分子組成的．因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過(guò)程都伴隨著分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對(duì)于左、右兩室這一個(gè)整體來(lái)講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無(wú)序了．我們看到“左2右2”一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最?。畬?shí)際上，當(dāng)氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多時(shí)，撤去擋板后實(shí)際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室中的現(xiàn)象．因此，氣體的自由擴(kuò)散過(guò)程是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義．要點(diǎn)提煉返回1．正確理解宏觀態(tài)和微觀態(tài)規(guī)定了某種規(guī)則，我們就規(guī)定了一個(gè)“

”，這個(gè)“

”可能包含一種或幾種“微觀態(tài)”，不同的“

”對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的個(gè)數(shù)不同．如果一個(gè)“

”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)“

”是比較無(wú)序的．宏觀態(tài)宏觀態(tài)宏觀態(tài)宏觀態(tài)宏觀態(tài)一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)對(duì)熱力學(xué)過(guò)程的微觀解釋在通過(guò)做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過(guò)程中，自然過(guò)程是大量分子從

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，但其逆過(guò)程卻不能自發(fā)地進(jìn)行，即不可能由大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻倪\(yùn)動(dòng)．有序無(wú)序一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回(2)對(duì)熱傳遞過(guò)程的微觀解釋從微觀上看，熱傳遞的過(guò)程中，自然過(guò)程是大量分子從

的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向

的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，其逆過(guò)程不能自發(fā)地進(jìn)行．(3)微觀意義大量分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的方向總是向

增大的方向進(jìn)行，即一切自發(fā)過(guò)程總是沿著

增大的方向進(jìn)行．無(wú)序程度小無(wú)序程度大無(wú)序性無(wú)序性一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回3．熵增加原理(1)在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)

．如果過(guò)程可逆，則熵不變；如果過(guò)程不可逆，則熵

．(2)熱力學(xué)第二定律也叫熵

原理．(填“增加”或“減少”)減小增加增加一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義二、能源和可持續(xù)發(fā)展1．流動(dòng)的水帶動(dòng)水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中，我們沒(méi)有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來(lái)加以利用．可見(jiàn)，內(nèi)能與機(jī)械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？問(wèn)題設(shè)計(jì)返回答案

內(nèi)能二、能源和可持續(xù)發(fā)展2．化石能源的大量消耗會(huì)帶來(lái)哪些環(huán)境問(wèn)題？返回答案

溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等．返回要點(diǎn)提煉1．能量耗散和品質(zhì)降低(1)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有

．(2)能量耗散雖然不會(huì)使能量的總量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的

(填“降低”或“提高”)，它實(shí)際上將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大有用的形式．二、能源和可持續(xù)發(fā)展方向性降低返回2．能源和人類社會(huì)發(fā)展(1)常規(guī)能源對(duì)環(huán)境的影響：石油和煤燃燒產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，產(chǎn)生了“

”．排入大氣中的污染物在太陽(yáng)紫外線照射下發(fā)生光化學(xué)效應(yīng)，形成二次污染物“

”．煤燃燒時(shí)形成的二氧化硫等物質(zhì)使雨水形成“酸雨”．二、能源和可持續(xù)發(fā)展溫室效應(yīng)光化學(xué)煙霧返回(2)開(kāi)發(fā)新能源新能源有

、

、核能、

等，它們的特點(diǎn)是：

、可再生、資源豐富．二、能源和可持續(xù)發(fā)展太陽(yáng)能風(fēng)能生物質(zhì)能污染少【例1】一個(gè)箱子被分成A、B兩室，有四個(gè)不同顏色的小球被放在箱子中，整個(gè)封閉系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)自發(fā)的過(guò)程，則A、B兩室中的小球分布共有多少種可能？每種可能稱為一個(gè)宏觀態(tài)，則每種宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)有多少種？試用圖例說(shuō)明．一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義典例精析返回返回解析設(shè)有紅、黃、藍(lán)、綠四個(gè)小球(分別用①、②、③、④表示)，把它們按如下方式放入箱中，如圖甲所示．典例精析一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義甲返回如果不區(qū)分小球的顏色，則只會(huì)出現(xiàn)如圖所示的5種可能，即有5個(gè)宏觀態(tài)，而每種宏觀態(tài)下，A中的小球可以是四種顏色中的任意幾種的組合，由排列組合知識(shí)知，宏觀態(tài)(1)對(duì)應(yīng)1個(gè)微觀態(tài)，宏觀態(tài)(2)對(duì)應(yīng)4個(gè)微觀態(tài)，宏觀態(tài)(3)對(duì)應(yīng)6個(gè)微觀態(tài)，宏觀態(tài)(4)對(duì)應(yīng)4個(gè)微觀態(tài)，宏觀態(tài)(5)對(duì)應(yīng)1個(gè)微觀態(tài)，即共存在16個(gè)微觀態(tài)．如圖乙所示．典例精析一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回典例精析一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義乙答案見(jiàn)解析返回【例2】關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說(shuō)法正確的是(

)A．大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)B．熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀

態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程C．熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)

序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程D．一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行典例精析一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回解析

分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀狀態(tài)包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無(wú)序的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熵增加原理，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序，而不是變得有序．熱傳遞的自然過(guò)程從微觀上講就是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程．答案CD典例精析一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義典例精析返回【例3】

下列關(guān)于熵的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是(

)A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度B．在自然過(guò)程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C．熱力學(xué)第二定律也叫做熵減小原理D．熵值越大代表著越無(wú)序一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回解析一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義．系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程就是大量分子向無(wú)序程度大的狀態(tài)變化的過(guò)程．自然過(guò)程的方向性可以表述為：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值不會(huì)減小，因此熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理．因此A、B、D說(shuō)法正確，C說(shuō)法錯(cuò)誤．答案C典例精析一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義返回【例4】

下列對(duì)能量耗散理解正確的是(

)A．能量耗散說(shuō)明能量在不斷減少B．能量耗散遵守能量守恒定律C．能量耗散說(shuō)明能量不能憑空產(chǎn)生，但可以憑空消失D．能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過(guò)程具有方向性典例精析二、能量耗散和可持續(xù)發(fā)展返回典例精析二、能量耗散和可持續(xù)發(fā)展解析在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過(guò)程中，其他形式的能量最終轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能，無(wú)法再回收利用，這種現(xiàn)象叫能量耗散．能量耗散并不違反能量守恒定律，宇宙中的能量既沒(méi)有減少，也沒(méi)有消失，它從能量角度反映出自然界的宏觀過(guò)程具有方向性，故A、C錯(cuò)，B、D對(duì)．答案BD返回【例5】以下說(shuō)法正確的是(

)A．煤、石油、天然氣等燃料的最初來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能B．汽油是一種清潔能源C．水能是可再生能源D．煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的典例精析二、能量耗散和可持續(xù)發(fā)展返回典例精析二、能量耗散和可持續(xù)發(fā)展解析煤、石油、天然氣等是動(dòng)、植物轉(zhuǎn)化成的，其來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能，A對(duì)；汽油燃燒會(huì)引起一些化合物的產(chǎn)生，導(dǎo)致有毒氣體的產(chǎn)生，B錯(cuò)；水能是可再生能源，C對(duì)；煤、石油等存儲(chǔ)量是有限的，是不可再生能源，D錯(cuò)．答案AC自我檢測(cè)區(qū)12課堂要點(diǎn)小結(jié)341．(熱力學(xué)第二定律的微觀意義)下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說(shuō)法正確的是(

)A．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B．一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行C．有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，有的

自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行D．在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵會(huì)減小1234答案A解析熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A對(duì)；從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)；任何自然過(guò)程總是朝著無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，也就是熵增加的方向進(jìn)行，故D錯(cuò)．所以選A.12342．(熵)對(duì)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，下列說(shuō)法中正確的是(

)A．系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B．系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C．系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無(wú)序的狀態(tài)發(fā)展D．系統(tǒng)逐漸從比較無(wú)序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展12341234答案AC解析在孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤．根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無(wú)序的狀態(tài)發(fā)展，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．3．(能量耗散)熱現(xiàn)象過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象．所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中無(wú)法把流散的能量重新收集、重新加以利用．下列關(guān)于能量耗散的說(shuō)法中正確的是(

)A．能量耗散說(shuō)明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C．能量耗散過(guò)程中能量仍守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具

有方向性12341234答案CD解析能量耗散說(shuō)明能量轉(zhuǎn)化的宏觀過(guò)程具有方向性，符合熱力學(xué)第二定律，B錯(cuò)誤，D正確；能量耗散過(guò)程中，能量并沒(méi)有消失，能量仍然守恒，A錯(cuò)誤，C正確．4．(可持續(xù)發(fā)展)下列供熱方式最有利于環(huán)境保護(hù)的是(

)A．用煤做燃料供熱B．用石油做燃料供熱C．用天然氣或煤氣做燃料供熱D．用太陽(yáng)能灶供熱12341234解析煤、石油、天然氣等燃料的利用，使人類獲得大量的內(nèi)能．但由于這些燃料中含有