1、5 热力学第二定律的微观解释 6 能源和可持续发展 必备知识自主学习 一、热力学第二定律的微观解释【情境思考】问题:这两幅图哪一幅是有序的,哪一幅是无序的?提示:左图无序,右图有序。1.有序、无序:一个系统的个体按确定的某种规则,有顺序地排列即_;个体 分布没有确定的要求,“怎样分布都可以”即_。2.宏观态、微观态:系统的_状态即宏观态,系统内个体的_状态即 微观态。3.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_ _的方向进行。有序 无序 宏观 不同分布 增 大 4.熵及熵增加原理:(1)熵:表达式S=_,k表示玻耳兹曼常量,表示一个宏观状态所对应的微 观状态的数目。S
2、表示系统内分子运动_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_。kln 无序性 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_,成为更加分散因而 也是无序度更大的能量,分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_、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_。(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_,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
3、式。内能 自动发生 方向性 降低 2.能源和环境:(1)种类:煤、_、天然气等常规能源。(2)环境问题:温室效应、_、光化学烟雾。(3)新能源:_、生物质能、风能等。石油 酸雨 太阳能【易错辨析】(1)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。()(2)熵值越大代表着越有序。()(3)孤立系统的总熵可能增大,也可能减小。()(4)能源是取之不尽、用之不竭的。()(5)大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源。()关键能力合作学习 知识点一 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
4、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
5、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.熵和熵增加原理:(1)熵是反映系统无序程度的物理量,正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。系统越混乱,无序程度越大,就称这个系统的熵越大。(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少。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。从熵的意义上来说,系统自发变化时,总是向着熵增加的
6、方向发展,不会使熵减小。(3)任何宏观物质系统都有一定量的熵,熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。【典例示范】【典例】(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【解析】选C、D。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
7、无序,而不是变得有序,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,C、D两项正确。【素养训练】下面关于熵的说法错误的是()A.熵是物体内分子运动无序程度的量度 B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行 C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的 D.熵值越大,代表系统分子运动越无序【解析】选B。熵是物体内分子运动无序程度的量度,熵越大则物体内分子运动无序程度越大,A正确;在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向增加的方向进行,B错误;热力学第二定律的微观实质是熵是增加的,C正确;熵值越大,代表系统分子运动越无序,D正确。【加固训练】1.
8、(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、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,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】选B、D。扑克牌的排列是有确定规则的,是有序的,A正确;按偶数和奇数分成两部分,是有序的,内部是无序的,B错误;一副扑克牌是一个系统,是一个宏观态,洗动一次,该状态为这副扑克
9、牌宏观态对应的一个微观态,C正确;奇偶分开是一种宏观态,从偶数部分抽出一张插入到奇数部分,原宏观态被破坏,D错误。2.(多选)下列说法正确的是()A.如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率,则B分布更无序 B.如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率,则A分布更无序 C.大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布,则该过程是可逆的 D.大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布,则该过程是不可逆的【解析】选A、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。如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率
10、,则说明B分布更无序一些,A正确,B错误。大量分子的集合自发的运动过程是不可逆的,D正确,C错误。知识点二 能源和可持续发展 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
11、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)【问题探究】情境:如图所示是我国最大的山坡光伏发电站河北曲阳光伏发电站。讨论:太阳能是一种具有良好开发前景的新能源,与常规能源相比它具有哪些优点?提示:太阳能作为一种新能源,与常规能源相比有三大优点:第一,它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计,在过去漫长的10亿年中,太阳消耗了约本身能量的2%,今后足以供给地球人类使用几十亿年,可以说是取之不尽,用之不竭。
12、第二,地球上无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题。第三,太阳能是一种洁净能源。在开发利用时,不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音,更不会影响生态平衡。【典例示范】【典例】关于能量和能源,下列说法正确的是()A.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源 B.能量耗散说明能量在转化的过程中,其总量会不断减少 C.能量耗散现象说明,在能量转化的过程中,可利用的品质降低了 D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造【解析】选C。在能源的利用过程中,虽然能量在数量上并未减少,但可利用率越来越小,故仍需节约能源,故A错误;能量耗散说明能量在转化的过程中能量
13、的可利用率越来越小,但总量不会减少,故B错误;能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小,可利用的品质降低了,故C正确;能量既不会产生也不会消失,只能从一种形式转化为另一种形式,或从一个物体转移到另一个物体,故D错误。【素养训练】在丹麦首都哥本哈根召开的世界气候大会上,中国承诺2020年碳排放量下降40%45%。为了实现作为负责任大国的承诺,我们应当大力开发和利用下列能源中的()A.石油 B.太阳能 C.天然气 D.煤炭【解析】选B。太阳能是一种洁净能源,在开发利用时,不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音,更不会影响生态平衡,而其他三种能源在使用时都会有大量二氧化碳和一氧化碳排放到大
14、气中。【加固训练】(多选)下列哪些现象属于能量的耗散()A.利用水流能发电变成电能 B.电能通过灯泡中的电阻丝变为光能 C.电池的化学能转变为电能 D.火炉把屋子烤暖【解析】选B、D。电能转化为光能,化学能转化为内能,最终都变成环境中的内能,无法再加以收集利用,B、D均为能量耗散。【拓展例题】考查内容:宏观态与微观态【典例】一锅开水投入了5个糖馅的甜汤圆,随后又投入了5个肉馅的咸汤圆,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:全是甜的 全是咸的 1甜4咸 4甜1咸,这是四种不平衡的宏观态 2甜3咸 3甜2咸,这是两种相对平
15、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?请设计一个表格来表示。(2)以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少?【解析】(1)宏观态对应的微观态个数。(2)相对平衡的宏观态出现的概率为 P=答案:见解析 宏观态 全是甜的 全是咸的 1甜4咸 4甜1咸 2甜3咸 3甜2咸 微观态 个数 1 1 5 5 10 10 10 1051 1 55 10 108 。课堂检测素养达标 1.(多选)对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或不变,不可能减小 B.系统的总熵可能增大,可能不变,还可
16、能减小 C.系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展 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】选A、C。根据熵增加原理:在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少,A对,B错。根据热力学第二定律的微观解释可知,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的,C对,D错。【加固训练】如图将一滴红墨水滴入一杯清水中,红墨水会逐渐扩散到整杯水中,呈均匀分布,试说明这个过程中熵的变化。【解析】墨水原来处于较小的空间(一滴),无序度小,后来处于较大空间,无序度大,故熵变大。答案:变大 2.(多选)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
17、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】选A、D。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,我们知道热力学第二定律是一个统计规律,故A对,B、C错。任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行,也就是朝着熵增加的方向进行,故D对。所以选A、D。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
18、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【解析】选B。能量虽然守恒,但能量的耗散导致能量的品质降低及不可再利用,也往往对环境产生破坏,从而应开发新型的清洁型的能源,A、C、D正确,B错误。本题选错误的,故选B。【总结提升】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)能源是可以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,故我们要节约能量。4.汽车是常见的交通工具。它在给人们带来交通便利的同时,也带来了环境污染、交通安全等一些社会问题。现请运用所学的物理知识解决下列问题:汽车里的燃料燃烧排放的尾气既污染环境,又会引起热岛效应。请你设想可以采用哪些新型能源来解决这个问题并说出它的优点。(要求写出一种)【解析】可以用太阳能、电能;优点是卫生、节能、不会排放尾气等。答案:见解析