選修3-3（高中物理舊教材同步講義）第10章 5-6 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋同步講義

5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋6能源和可持續(xù)發(fā)展[學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]物理觀念：1.了解有序和無序是相對的，知道宏觀態(tài)與微觀態(tài)，知道宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無序程度的關(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．科學(xué)思維：會對能源進(jìn)行分類．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：增強保護(hù)環(huán)境的意識，節(jié)約能源．一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義1．有序和無序：一個系統(tǒng)的個體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個體分布沒有(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序．2．宏觀態(tài)和微觀態(tài)：系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)．一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的．3．熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)氣體向真空的擴(kuò)散：氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的．(2)熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進(jìn)行．4．熵及熵增加原理(1)熵：表達(dá)式S＝klnΩ，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，稱為熵．(2)熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小．二、能源和可持續(xù)發(fā)展1．能量耗散和品質(zhì)降低(1)能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象．(2)各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的．(3)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有方向性．(4)能量耗散雖然不會導(dǎo)致能量總量的減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它實際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級為不大可用的低品質(zhì)形式．2．能源與環(huán)境(1)常規(guī)能源：人們把煤、石油、天然氣等化石能源叫做常規(guī)能源，人類消耗的能源主要是常規(guī)能源．(2)新能源：主要有太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能、核能等．(3)環(huán)境問題：化石能源的大量消耗帶來的環(huán)境問題有溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等．1．判斷下列說法的正誤．(1)一個系統(tǒng)中個體排列的“有序”和“無序”是絕對的．(×)(2)孤立系統(tǒng)的總熵可能增大，也可能減?。?×)(3)能源是取之不盡、用之不竭的．(×)(4)大量消耗常規(guī)能源會使環(huán)境惡化，故提倡開發(fā)利用新能源．(√)2．兩個溫度不同的物體接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，直到兩者溫度相等；一個溫度處處相等的物體，不可能自發(fā)地變成一部分溫度高，另一部分溫度低．這一事實說明，一切自然過程總是沿著分子熱運動________的方向進(jìn)行．答案無序性增大一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)如圖甲所示，一幅是閱兵式的圖片，另一幅是清明上河圖(局部)，從有序和無序的角度說明這兩幅圖有什么不同？(2)①如圖乙所示，一個箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個氣體分子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)的4個分子為模型說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說明氣體擴(kuò)散后4個分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況．②試著從無序的角度談?wù)勆厦鎲栴}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(1)閱兵式圖片較有序，清明上河圖較無序．(2)①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0.②從無序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運動的分子組成的．因為任何熱力學(xué)過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左、右兩室這一個整體來講，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)就變得無序了．我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性最?。?dāng)氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當(dāng)多時，撤去擋板后實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)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義．1．熱力學(xué)第二定律的微觀解釋(1)高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運動，但是高溫物體中分子熱運動的平均速率要大于低溫物體．(2)在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過程中，低溫物體分子運動的劇烈程度會逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了，而高溫物體分子運動的劇烈程度會減緩，即高溫物體的溫度降低了，所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體．(3)換一種角度看，初始狀態(tài)我們根據(jù)溫度的高低來區(qū)分兩個物體，而終了狀態(tài)兩個物體上的溫度處處相同，無法區(qū)別，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了．(4)在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程．2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會可逆地在相反的方向上出現(xiàn)．它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生．(2)自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性．所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”．3．對熵的四點理解(1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運動無序性的量度．(2)熵是表示一個體系自由度的物理量．熵越大，表示在這個體系下的自由度越大，可能達(dá)到的狀態(tài)越多．(3)熵不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過一個不可逆過程，熵總是增加的．(4)熵的本質(zhì)：熵是體系微觀混亂度的量度，混亂度越大，熵值也越大．例1(多選)(2019·樟樹中學(xué)高二下月考)關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說法正確的是()A．熵越大，表示宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越少B．氣體向真空中擴(kuò)散時，氣體分子變成均勻分布的可能性最大C．我們所說的有序狀態(tài)，指的是對應(yīng)著較多微觀態(tài)的那樣的宏觀態(tài)D．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程答案BD解析根據(jù)熵的意義可知，一個宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大，故A錯誤；氣體向真空中擴(kuò)散時，氣體分子變成均勻分布的可能性最大，選項B正確；根據(jù)熵的含義可知，如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說明這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，故C錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱傳遞的自然宏觀過程具有方向性，熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，故D正確．例2(多選)下列關(guān)于熵的說法中正確的是()A．熵越大，系統(tǒng)的無序度越大B．對于一個不可逆的絕熱過程，其熵增大C．氣體向真空擴(kuò)散時，熵值減小D．自然過程中熵總是增加的，是因為通向無序的渠道要比通向有序的渠道多很多答案ABD解析熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，熵越大，其無序度越大，A正確．不可逆的絕熱過程，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會增加，不會減小，B正確．氣體向真空中擴(kuò)散時，無序度增大，熵值增大，C錯誤．自然過程中，無序度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率較大，因為通向無序的渠道多，D正確．二、能源和可持續(xù)發(fā)展(1)流動的水帶動水磨做功，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，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用．可見，內(nèi)能與機械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？(2)如圖所示是兩幅宣傳節(jié)約能源的圖片．請問：既然能量是守恒的，我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源？(3)化石能源的大量消耗會帶來哪些環(huán)境問題？答案(1)內(nèi)能．(2)能量是守恒的，但能量耗散卻導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，在利用它們的時候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量．(3)溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等．1．能源的分類能源分類方法能源分類名稱特點舉例按形成或轉(zhuǎn)換特點分一次能源自然形成，未經(jīng)加工太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑四?、潮汐能二次能源由一次能源?jīng)過加工轉(zhuǎn)換而成焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能按利用技術(shù)分常規(guī)能源已大規(guī)模正常使用煤、石油、天然氣新能源正在開發(fā)，或有新的利用方式太陽能、核能、地?zé)崮?、海洋能、沼氣能、風(fēng)能按可否再生分可再生能源可循環(huán)使用、不斷補充水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮懿豢稍偕茉炊唐趦?nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得煤、石油、天然氣按對環(huán)境污染情況分清潔能源對環(huán)境基本沒有污染太陽能、海洋能、風(fēng)能、水能污染能源會嚴(yán)重污染環(huán)境化石燃料(煤、石油、天然氣)2.能源開發(fā)和利用加強新能源，特別是清潔能源的開發(fā)和利用，控制化石能源開采，提高能源的利用率，降低對環(huán)境的污染．3．能源對環(huán)境的影響(1)常規(guī)能源對環(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“溫室效應(yīng)”，引發(fā)了一系列問題，如兩極的冰雪融化、海平面上升，海水倒灌、耕地鹽堿化……這些都是人類過度開發(fā)自然資源所產(chǎn)生的嚴(yán)重問題．(2)做好環(huán)境保護(hù)工作：目前的任務(wù)是采用能源新技術(shù)，解決突出的環(huán)境污染問題．例如，城市生活垃圾問題，變垃圾為能源；提高汽車發(fā)動機效率，解決尾氣問題，達(dá)到廢氣“零”排放；環(huán)境污染的綜合治理問題，解決廢物、廢水、廢氣等，變廢為寶．例3關(guān)于能源的開發(fā)和節(jié)約，你認(rèn)為下列哪些觀點是錯誤的()A．常規(guī)能源是有限的，無節(jié)制地利用常規(guī)能源，如石油之類，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，擔(dān)心能源枯竭是一種杞人憂天的表現(xiàn)C．能源的開發(fā)和利用，必須要同時考慮其對環(huán)境的影響D．通過核聚變和平利用核能是目前開發(fā)新能源的一種新途徑答案B解析能量雖然守恒，但能量耗散導(dǎo)致能量的品質(zhì)降低即不可再利用，也往往對環(huán)境產(chǎn)生破壞，從而應(yīng)開發(fā)新型的清潔型的能源，故B選項錯．能量與能源的區(qū)別1．能量是守恒的，既不會增加也不會減少．2．能源是能夠提供可利用能量的物質(zhì)．3．能量耗散，能量總量不變，但能量品質(zhì)會下降即能源減少，故我們要節(jié)約能源．例4(多選)下列對能量耗散理解正確的是()A．能量耗散說明能量在不斷減少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程具有方向性答案BD解析在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程中，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，宇宙中的能量既沒有減少，也沒有消失，它從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，故A、C錯，B、D對.1．(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法正確的是()A．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B．一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進(jìn)行C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進(jìn)行D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵會減小答案A解析熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，A對；從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯；任何自然過程總是朝著無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．2．(對熵的理解)(多選)下面關(guān)于熵的說法正確的是()A．熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度B．與熱現(xiàn)象有關(guān)的一個自發(fā)的過程總是向熵減少的方向進(jìn)行C．熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì)是與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)宏觀過程朝熵增加的方向進(jìn)行D．熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序答案ACD解析熵是熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序程度的量度，熵值越大，表明系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序，故A、D正確；與熱現(xiàn)象有關(guān)的一個自發(fā)的過程中熵總是向增加的方向進(jìn)行，故B錯誤；熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì)是與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)宏觀過程朝熵增加的方向進(jìn)行，熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理，故C正確．3．(能量耗散的理解)熱現(xiàn)象過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)化的過程中無法把流散的能量重新收集并加以利用．下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C．能量耗散過程中能量仍守恒D．能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程不具有方向性答案C解析能量還是守恒的，能量耗散符合熱力學(xué)第二定律，C正確．4．(能源的開發(fā)和利用)(2019·天門市、潛江市、應(yīng)城市高一下期中聯(lián)考)能源問題關(guān)乎國家建設(shè)和社會發(fā)展，下列關(guān)于能量和能源的說法中正確的是()A．人類在歷史的進(jìn)程中不斷地開發(fā)和利用新能源，創(chuàng)造了新的能量B．自然界的能量是守恒的，我們沒有必要節(jié)約能源C．在利用能源的過程中，能量在數(shù)量上逐漸減少D．能源耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中具有方向性答案D解析人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，但是能量不能被創(chuàng)造，也不會消失，故A錯誤；自然界的能量是守恒的，但是由于可用能源是有限的，故需要節(jié)約能源，故B錯誤；在利用能源的過程中，由于能量是守恒的，能量在數(shù)量上并沒有減少，故C錯誤；根據(jù)熱力學(xué)定律可知，宏觀自然過程自發(fā)進(jìn)行具有方向性，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，故D正確．一、選擇題考點一熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1．(多選)關(guān)于有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)，下列說法正確的是()A．有序和無序是絕對的B．一個“宏觀態(tài)”可能對應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C．一個“宏觀態(tài)”只能對應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別答案BD解析因為無序是各處都一樣、平均、沒有差別，故D項正確；有序和無序是相對的，故A項錯誤；一個“宏觀態(tài)”可能對應(yīng)一個或多個“微觀態(tài)”，所以B項正確，C項錯誤．2．已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲、乙，其對應(yīng)微觀態(tài)的個數(shù)分別為較少、較多，則下列關(guān)于對兩個宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法中正確的是()A．甲比較有序，乙比較無序，甲→乙B．甲比較無序，乙比較有序，甲→乙C．甲比較有序，乙比較無序，乙→甲D．甲比較無序，乙比較有序，乙→甲答案A解析一個宏觀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)的多少標(biāo)志了宏觀態(tài)的無序程度，從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)的方向，微觀態(tài)數(shù)目越多，表示越無序，一切自然過程總沿著無序性增大的方向進(jìn)行，A對，B、C、D錯．3．(多選)對“覆水難收”的敘述正確的是()A．盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序B．盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序C．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序D．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序答案AC解析一切自然過程總是從有序轉(zhuǎn)化為無序，因此盆中的水是較為有序的，潑出的水是較為無序的．4．(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說法正確的是()A．大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動B．熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程C．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程D．一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進(jìn)行答案CD解析分子熱運動是大量分子的無規(guī)則運動，系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個無序的運動，根據(jù)熵增加原理，熱運動的結(jié)果只能使分子熱運動更加無序，而不是變成了有序．熱傳遞的自然過程從微觀上講就是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，故選C、D.考點二熵增加原理5．(多選)關(guān)于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是()A．系統(tǒng)的總熵不可能減小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)向更無序的狀態(tài)發(fā)展D．系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展答案AC解析在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵總是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯誤．考點三能源的開發(fā)和利用6．下列哪些現(xiàn)象屬于能量耗散()A．利用水流能發(fā)電變成電能B．電能通過燈泡中的電阻絲轉(zhuǎn)化為光能C．電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能D．火爐把房子烤暖答案D7．(2019·牌頭中學(xué)高一下期中)低碳生活是一種綠色而又環(huán)保