2024-2025学年高中物理第十章热力学定律5热力学第二定律的微观解释10-6能源和可持续发展学案新人教版选修3-3

PAGE8-5热力学其次定律的微观说明6能源和可持续发展一、热力学其次定律的微观说明1．有序和无序(1)概念：一个系统的个体按确定的某种规则有依次地排列即为有序；假如对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即为无序．(2)特点：有序和无序是相对的，即存在一个有序程度的问题．2．宏观态和微观态(1)概念：在统计物理学中，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．(2)特点：假如一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，那么这个“宏观态”是比较无序的．3．热力学其次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增大(选填“增大”或“减小”)的方向进行．这就是热力学其次定律的微观意义．4．熵及熵增加原理(1)熵①物理意义：用来量度系统无序程度的物理量叫作熵．②表达式：S＝klnΩ，其中k表示玻尔兹曼常数，Ω表示一个宏观态所对应的微观态的数目，S表示熵．(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．这就是用熵的概念表示的热力学其次定律．肯定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样改变？提示：气体被压缩过程中，体积减小，分子间的相对位置越来越确定，系统的无序程度越来越小，所以熵减小．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改变过程具有方向性．(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的削减，却会导致能量品质的降低，它事实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．流淌的水带动水磨做功，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上升，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到四周的空气中，我们没有方法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．请思索：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削减，却会导致能量品质的降低，它事实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．能源与环境(1)能源的种类①常规能源：煤、石油、自然气等．②新能源：太阳能、生物质能、风能、水能等．(2)环境问题：化石能源的资源有限，而且运用时对环境有很大的破坏，造成的环境污染主要有：温室效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘等．考点一热力学其次定律的微观意义1．热力学其次定律的微观说明(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速率要大于低温物体．所以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猛烈程度会渐渐加剧，即低温物体的温度上升了，而高温物体分子运动的猛烈程度会减缓，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．(2)换一种角度看，初始状态我们依据温度的凹凸来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度到处相同，无法区分，我们就说系统的无序程度增加了．(3)同理可知，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．热力学其次定律的微观意义：热力学其次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，哪些不行能发生．自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不行逆的，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”又经常被称为“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)系统自发改变时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会削减．也就是说，系统自发改变时，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，系统自发改变时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小．(3)任何宏观物质系统都有肯定量的熵，熵也可以在系统的改变过程中产生或传递．【例1】热力学其次定律指出了热量传递方向和热量转化方向的不行逆性，这一结论可以从微观角度动身，从统计意义来进行说明．气体自由膨胀的不行逆性可以用概率来说明(下图)．a、b、c三个分子在A、B两室的安排方式(下图)则：(1)a分子出现在A室的概率为________；(2)a、b、c三个分子全部回到A室的概率为________；(3)N个分子全部自动收缩到A室的概率为________．利用统计理论中的概率学问求解．【解析】a分子在自由运动后，在A室、B室的概率均为eq\f(1,2)，b分子在A室、B室的概率也为eq\f(1,2)，c分子在A室、B室的概率亦为eq\f(1,2)，则a、b、c同时出现在A室的概率为：eq\f(1,2)×eq\f(1,2)×eq\f(1,2)＝eq\f(1,8)，则当有N个分子时，它们同时出现在A室的概率为eq\f(1,2N).【答案】(1)eq\f(1,2)(2)eq\f(1,8)(3)eq\f(1,2N)总结提能从“宏观态”和“微观态”反映有序和无序，充分利用统计学的学问说明热力学其次定律，是本部分的重要题型，这类题目不仅须要有物理学问，还要熟知数学统计学、概率等学问的基本内容．(多选)关于热力学其次定律的微观意义，下列说法正确的是(CD)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：热力学其次定律的微观意义明确指出：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以答案C、D正确．考点二能源的分类【例2】据《中国环境报》报道：从一份科技攻关课题探讨结果显示，我国酸雨区已占国土面积的40%以上，探讨结果还表明，我国农业每年因遭遇酸雨而造成的经济损失高达15亿元．为了有效限制酸雨，目前国务院已批准《酸雨限制区和二氧化硫污染限制区划分方案》等法规．(1)在英国进行的一项探讨结果表明：高烟囱可有效地降低地面SO2浓度．在20世纪的60～70年头的10年间，由发电厂排放的SO2增加了35%，但由于建立高烟囱的缘由，地面浓度降低了30%，请你从全球环境爱护的角度，分析这种做法是否可取？说明理由．(2)用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油作燃料相比，哪种物质可以作为新能源？主要优点是什么，缺点又是什么？温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大大增加，导致“温室效应”，造成地面温度上升，两极的冰雪溶化，海平面上升，沉没沿海地区等不良影响．酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡．同时，还会腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还干脆危害人类健康．【解析】(1)这种方法并不行取，因为虽然高烟囱可有效地降低地面SO2浓度，但并不能削减排放到大气中的SO2总量，总污染量并未削减，并且高空中的SO2很简单与雨水结合，形成酸雨危害环境．(2)传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是燃烧过程中产生污染，危害环境．氢这种物质可以作为新能源，因为相同质量的氢与煤、石油相比，放出的热量更多，并且燃烧后只产生水，无污染物形成．缺点是大量的单质氢不简单获得，成本太高，并且氢的熔点很低，不简单液化，给运输带来担心全因素．总结提能过度开采常规能源已造成能源危机，运用常规能源也干脆污染着地球环境．(多选)煤是重要的能源和化工原料，干脆燃烧既奢侈资源又污染环境．最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%)，把煤“吃干榨尽”．下列有关说法正确的是(ACD)A．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学改变和物理改变B．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学改变但没有物理改变C．该技术实现了煤的清洁利用D．该技术实现了煤的高效利用解析：煤粉加压气化制备合成气中既有物理改变，又有化学改变，A正确，B错误；该技术使煤得以良好利用又环保，C、D正确．1．已知一个系统的两个宏观态甲、乙，其对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于两个宏观态的描述及自发过程的可能方向的说法中正确的是(A)A．甲比较有序，乙比较无序，甲→乙B．甲比较无序，乙比较有序，甲→乙C．甲比较有序，乙比较无序，乙→甲D．甲比较无序，乙比较有序，乙→甲解析：一个宏观态对应微观态的多少标记了宏观态的无序程度，从中还可以推知系统自发地进行方向，微观态数目越多，表示越无序，故甲较有序，乙较无序，C、D错误；一切自发过程总沿着无序性增大的方向进行，即甲→乙，A正确，B错误．2．关于气体向真空中扩散的规律，下列叙述中错误的是(B)A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布得越匀称，其宏观态对应的微观态数目越大D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解析：气体分子数越多，其宏观态对应的微观态数目越多，无序性越大，所以回到原状态的可能性越小，因此B错误．3．(多选)下列关于晶体熔化的说法中正确的是(BD)A．在晶体熔化的过程中，温度不变，分子热运动的平均速率不变，则无序程度不变B．晶体熔化时，分子的平衡位置在空间的较为规则排列，变为分子的平衡位置的较为无序排列，则无序度增大C．在晶体熔化的过程中，熵将保持不变D．在晶体熔化的过程中，熵将增加解析：在晶体熔化的过程中，分子的平衡位置由较有规则变为无规则，无序度增大，熵将增加，故B、D对．4．(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是(BC)A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪溶化D．“温室效应”使得土壤酸化解析：“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳