山东省专用2024-2025学年高中物理第十章热力学定律第56节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展讲义含解析新人教版选修3-3

PAGE7-第5、6节热力学其次定律的微观说明能源和可持续发展1.热力学其次定律的微观意义：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。2．热力学其次定律可叫做熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。3．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，事实上是将能量从高度有用的高品质形式降低为不大可用的低品质形式。一、热力学其次定律的微观说明1．有序、无序一个系统的个体按确定的某种规则，有依次地排列即有序；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的方向进行。4．熵及熵增加原理(1)熵：表达式S＝klnΩ，k叫做玻耳兹曼常量，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。(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。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，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转化方向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，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。2．能源和环境1．自主思索——判一判(1)熵越小，系统对应的微观态就越少。(√)(2)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会增加。(×)(3)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动。(×)(4)能量耗散会导致总能量的削减，也会导致能量品质的降低。(×)(5)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。(√)(6)既然能量是守恒的，那么人类就没必要节约能源。(×)2．合作探究——议一议(1)怎样理解一个孤立的系统熵不会减小？提示：从微观的角度看，热力学其次定律是一个统计规律；自发的宏观过程总是向无序性更大的方向发展。而熵较大代表着较为无序，熵小代表有序，所以一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展。(2)既然能量守恒，为什么还要节约能源？提示：人们在运用能源的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。虽然能量不会削减，但能源会越来越少，所以要节约能源。(3)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。热力学其次定律的微观意义1．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”。2．熵和熵增加原理的理解(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。1．[多选]下面关于热力学其次定律微观意义的说法正确的是()A．从微观的角度看，热力学其次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．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小解析：选AD从热力学其次定律的微观本质看，一切不行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，我们知道热力学其次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。2．下列说法中正确的是()A．无摩擦、无漏气等能量损失，就能使热机效率达到100%B．热量不能从低温物体传到高温物体C．一切物理过程都具有方向性D．由热力学定律可推断出某个物理过程是否能自发进行解析：选D对任何热机在工作时都不行避开地要向冷凝器的四周环境散发热量，总有能量的损失，因此其效率无法达到100%；热量能从低温物体传到高温物体，但必需有外界的帮助；一切涉及热现象的物量过程都具有方向性；在热力学定律的基础上可以导出其他过程的方向性，如气体的扩散、气体向真空的膨胀等。能源开发和利用及能源的分类1．能源开发和利用的关系图2．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运用煤、石油、自然气新能源正在开发，或有新的利用方式太阳能、水能、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运用、不断补充水能、风能、生物质能、地热能不行再生能源短期内无法转换获得煤、石油、自然气、核燃料按对环境污染状况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严峻污染环境化石燃料(煤、石油、自然气)1．关于能量和能源，下列说法正确的是()A．在能源利用的过程中，能量在数量上并未削减B．由于自然界中总的能量守恒，所以不须要节约能源C．能量耗散说明能量在转化过程中不断削减D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创建解析：选A依据能量守恒定律可知，在能源运用过程中，能量在数量上并未削减，故A正确、C错误；虽然总能量不会减小，但是由于能量的品质降低，无法再应用，故还须要节约能源，故B错误；依据能量守恒可知，能量不会被创建，也不会被歼灭，故D错误。2．关于能源的开发和利用，下列观点错误的是()A．无节制地利用能源，是一种盲目的短期行为B．依据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的C．能源的开发和利用，必需同时加强对环境的爱护D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径解析：选B能源是有限的，必需合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但运用过程中会有能量耗散及品质降低，B错误；能源利用推动人类进步的同时会破坏人类生存的环境，必需加强爱护，C正确；开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足，D正确。3．[多选]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削减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，但可以凭空消逝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：选BD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四周环境的内能，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，宇宙的能量既没有削减，也没有消逝，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确。1．[多选]关于有序和无序宏观态和微观态，下列说法正确的是()A．有序和无序是肯定的B．一个“宏观态”可能对应着很多的“微观态”C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”D．无序意味着各处一样、平均、没有差别解析：选BD因为无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；而有序和无序是相对的，故A项错误；而一个“宏观态”可能对应一个或多个“微观态”，所以B项正确，C项错误。2．PM2.5主要来自化石燃料、生物质、垃圾的焚烧，为了限制污染，要求我们节约及高效利用能源。关于能源和能量，下列说法中正确的是()A．自然界中的石油、煤炭等能源可供人类永久运用B．人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源C．能量被运用后就歼灭了，所以要节约能源D．能量耗散说明自然界的能量在不断削减解析：选B煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但不能短期内从自然界得到补充，是不行再生能源，选项A错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生能源且为清洁能源，应当尽量开发与利用，选项B正确；能量虽然守恒，但有些能量运用以后不行能再被利用，所以要节约能源，但能量是不会削减的，也不会被歼灭掉，只是形式发生转变，选项C、D错误。3．若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法正确的是()A．气体分子间的作用力增大B．气体分子的平均速率增大C．气体分子的平均动能减小D．气体组成的系统的熵增加解析：选D气体分子之间的距离很远，分子间的作用力可以认为为零，A项错误；由于温度是分子热运动的平均动能的标记，温度不变，气体分子热运动的平均动能就不变，气体分子热运动的平均速率就不变，B、C项错误；自发的自然过程中，熵值是增加的，D项正确。4．[多选]热现象过程中不行避开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其次定律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的方向性解析：选CD能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学其次定律，故C、D对。5．[多选]下列关于熵的说法中正确的是()A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序解析：选AD依据熵的意义可知，熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高。熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序，选项A、D正确。6.质量肯定的某种物质，在压强不变的条件下，由液体Ⅰ与气态Ⅲ(可看成志向气体)改变过程中温度(T)随加热时间(t)改变关系如图所示。单位时间所汲取的热量可看成不变。(1)以下说法正确的是________。A．在区间Ⅱ，物质的内能不变B．在区间Ⅲ，分子间的势能不变C．从区间Ⅰ到区间Ⅲ，物质的熵增加D．在区间Ⅰ，物质分子热运动的平均动能随着时间的增加而增大(2)在区间Ⅲ，若将压强不变的条件改为体积不变，则温度上升________(选填“变快”“变慢”或“快慢不变”)，请说明理由。解析：(1)区间Ⅱ是汽化过程，要汲取热量，内能增加，A错误；区间Ⅲ看成志向气体，无分子势能，B正确；从区间Ⅰ到区间Ⅲ是不行逆过程，分子无序性增加，熵增加，C正确；在区间Ⅰ，随时间增加，物质温度上升，分子热运动的平均动能增大，D正确。(2)依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W，志向气体的状态方程eq\f(pV,T)＝C可知，在汲取相同的热量Q时，压强不变的条件下，V增加，W＜0，ΔU1＝Q－|W|；体积不变的条件下，W＝0，ΔU2＝Q；所以ΔU1＜ΔU2，体积不变的条件下温度上升变快。答案：(1)BCD(2)变快理由见解析7．瀑布从20m高处以103m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2m/s的速度流出，水轮机再带动发电机发电。假如水的机械能转化为电能的效率是80%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽视不计，g取10m/s2)解析：设t时间内流下的水的质量为m，以m为探讨对象，