1、10.5-10.6 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展 学习目标定位 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1热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和2热力学第二定律：反映宏观自然过程的方向性的定律克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响一、有序和无序宏观态和微观态1有序、无序：一个系统的个体按确定的某种规则，有
2、顺序地排列即为有序；对个体分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即为无序2宏观态、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二、热力学第二定律的微观解释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三、熵及熵增加原理1熵：表达式Skln ，k叫做玻耳兹曼常量，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四、能量耗散1能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，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能量耗散从能量转化的角度反映
3、出自然界中的自发变化过程具有方向性五、能源和环境1常规能源：煤、石油、天然气新能源：太阳能、生物质能、风能、核能等2环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾.一、热力学第二定律的微观意义 问题设计图11.如图1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答案可能的宏观态有：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，
4、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实际上，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
5、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要点提炼1正确理解宏观态和微观态规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同如果一个“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2热力学第二定律的微观意义(1)对热力学过程的微观解释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，但其逆过程
6、却不能自发地进行，即不可能由大量分子无规则的热运动自发地转变为有序的运动(2)对热传递过程的微观解释从微观上看，热传递的过程中，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，其逆过程不能自发地进行(3)微观意义大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行，即一切自发过程总是沿着无序性增大的方向进行3熵增加原理(1)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加(2)热力学第二定律也叫熵增加原理(填“增加”或“减少”)二、能源和可持续发展问题设计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
7、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？答案内能2化石能源的大量消耗会带来哪些环境问题？答案温室效应、酸雨、光化学烟雾等要点提炼1能量耗散和品质降低(1)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性(2)能量耗散虽然不会使能量的总量减少，却会导致能量品质的降低(填“降低”或“提高”)，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大有用的形式2能源和人类社会发展(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”排
8、入大气中的污染物在太阳紫外线照射下发生光化学效应，形成二次污染物“光化学烟雾”煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”(2)开发新能源新能源有太阳能、风能、核能、生物质能等，它们的特点是：污染少、可再生、资源丰富一、热力学第二定律的微观意义例1一个箱子被分成A、B两室，有四个不同颜色的小球被放在箱子中，整个封闭系统进入了一个自发的过程，则A、B两室中的小球分布共有多少种可能？每种可能称为一个宏观态，则每种宏观态对应的微观态有多少种？试用图例说明解析设有红、黄、蓝、绿四个小球(分别用、表示)，把它们按如下方式放入箱中，如图甲所示甲如果不区分小球的颜色，则只会出现如图所示的5种可能，即有5个
9、宏观态，而每种宏观态下，A中的小球可以是四种颜色中的任意几种的组合，由排列组合知识知，宏观态(1)对应1个微观态，宏观态(2)对应4个微观态，宏观态(3)对应6个微观态，宏观态(4)对应4个微观态，宏观态(5)对应1个微观态，即共存在16个微观态如图乙所示乙答案见解析例2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一切自发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
10、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答案CD例3下列关于熵的说法中错误的是()A熵是系统内分子运动无序性的量度B在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的C热力学第二定律也叫做熵减小原理D熵值越大代表着越无序解析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系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立
11、系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理因此A、B、D说法正确，C说法错误答案C二、能量耗散和可持续发展例4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对答案BD例5以下说法正确的是()A煤、石油、天然气等
12、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，导致有毒气体的产生，B错；水能是可再生能源，C对；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D错答案AC1(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
13、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错所以选A.2(熵)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，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，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故选项A正确，B错误根据熵增加原理，该系
14、统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故选项C正确，D错误3(能量耗散)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、重新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能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性答案CD解析能量耗散说明能量转化的宏观过程具有方向性，符合热力学第二定律，B错误，D正确；能量耗散过程中，能量并没有消失，能量仍然守恒，A错误，C正确4(可持续发展)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用太阳能灶供热答案D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，使得废气中含有的粉尘、一氧化碳、二氧化硫等污染了大气而太阳能是一种无污染的能源，应大为推广，故答案应选D.
