高中物理人教版3第十章热力学定律5热力学第二定律的微观解释 第10章56

5热力学第二定律的微观解释6能源和可持续发展学习目标知识脉络1.知道有序和无序，宏观态和微观态的概念．(重点)2.知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系．知道热力学第二定律的微观意义．(重点)3.掌握熵的概念，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述．(难点)4.知道什么是能量耗散和品质降低．了解能源与人类社会、环境的的关系．(难点)热力学第二定律的微观解释eq\a\vs4\al([先填空])1．有序、无序一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即无序．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．3．热力学第二定律的微观意义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．4．熵表达式S＝klnΩ，k表示玻耳兹曼常量，Ω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．5．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．eq\a\vs4\al([再判断])1．熵越小，系统对应的微观态就越少．(√)2．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．(√)3．大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．质量相同、温度相同的水，如图10­5­1所示，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？气体液体固体图10­5­1【提示】质量相同、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化．所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小．2．熵的大小与无序性的大小有什么关系？在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？【提示】熵值越大其无序性越大．在自然过程中，孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展．eq\a\vs4\al([核心点击])热力学第二定律的微观解释和熵1．热力学第二定律的微观解释(1)热传递过程：从宏观上看，热量自发地从高温物体传到低温物体；从微观角度看，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢，低温物体中的分子运动加快，到温度相同时，两个物体分子的平均动能相同，热传导这个不可逆过程使分子热运动的无序程度增加了．(2)功转变为热：从宏观上看是机械能或其他形式的能量转化为内能的过程；从微观上看，机械运动中大量分子主要都沿同一方向运动，转变为热运动，分子杂乱无章地向各个方向运动，因此是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程．(3)热力学第二定律的微观本质：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．2．熵(1)熵的概念：物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：S＝k·lnΩ，式中k叫做玻耳兹曼常数．(2)熵是状态量：熵是热力学中一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，常用S表示．熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度．熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小．3．熵增加原理(1)熵是无序程度的量度：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度．使其熵值达到最大值．(2)热力学系统演化的方向性：对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行，或者说，一个孤立系统的熵永远不会减少，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式．1．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．热传递的自发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．热传递的自发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E．从微观的角度看，热力第二定律是一个统计定律【解析】热力学第二定律的微观意义明确指出：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以选项C、D正确，热力学第二定律是一个统计规律，故E正确．【答案】CDE2．从微观角度看，下列说法正确的是()A．一个非孤立系统可能从熵大的状态向熵小的状态发展B．一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展C．一个宏观状态所对应的微观状越多，越是无序，熵值越大D．出现概率越小的宏观状态熵值越大E．出现概率越大的宏观状态，熵值越大【解析】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．熵是描述系统大量分子运动无序性程度的．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展．反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。对于一个非孤立的系统，在与外界有能量交换时其熵也有可能变小，故B、D错误，A、C、E正确．【答案】ACE3．一杯热水置于空气中，它总是冷却到与周围环境相同的温度，因为处于比周围温度高或低的几率都较小，而与周围环境同温的平衡态是几率最大的状态，但是这杯水的熵却减少了，这与熵增加原理相矛盾吗？【解析】熵增加原理是指在一个封闭系统中，不可逆过程总是向熵增加的方向进行，如果取这杯热水和周围环境作为一个封闭系统，整个过程中此系统的熵是增加的．若仅取一杯水为研究对象，它不是封闭系统，它与外界有能量交换，虽然水的熵减少，但与熵增加原理不矛盾．【答案】见解析有序及无序过程的判断(1)判断此类问题要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的．(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的．能源和可持续发展eq\a\vs4\al([先填空])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)的能量转化为内能，流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，是能够自动发生、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方向性．(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降低，它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式．2．能源与环境(1)常规能源：人们把煤、石油、天然气等化石能源叫做常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源．(2)新能源：主要有太阳能、生物质能、风能、水能、核能等．(3)环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、光化学烟雾等．eq\a\vs4\al([再判断])1．根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的．(×)2．能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低．(×)3．能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．流动的水带动水磨做功．由于磨盘之间的摩擦、磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，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空气中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．请思考：内能与机械能相比，哪种能量的品质低？【提示】内能．能量的耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低．它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．故内能较之机械能是一种低品质的能量．2．如图10­6­1所示是锅炉工作时的外景，从节图10­6­1约能源和环境保护角度来看，分析存在的主要问题是什么？【提示】由题图中的浓烟滚滚，可以发现存在的主要问题有两个：一是燃料燃烧不充分，且烟气带走大量的热量，造成能量损失；二是造成大气污染．eq\a\vs4\al([核心点击])1．如何正确理解能量耗散和品质降低(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了．(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量.由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．2．能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例按形式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、风能按可否再生分可再生能源可循环使用水能、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)4．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E．能量耗散符合热力学第二定律【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，宇宙中的能量既没有减少，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，恰恰说明符合热力学第二定律，故A、C错，B、D、E正确．【答案】BDE5．某地的平均风速为5m/s，已知空气密度是kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？