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5.6.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展,一、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 1．有序和無序 宏觀態(tài)和微觀態(tài) (1)有序：一個系統(tǒng)的個體按某種確定的 ，有順序地排列稱為有序． (2)無序：一個系統(tǒng)的個體分布沒有確定的 ，分布是隨意的，稱為無序． (3)宏觀態(tài)：一個系統(tǒng)整體所處的狀態(tài)就叫做宏觀態(tài)． (4)微觀態(tài)：宏觀態(tài)系統(tǒng)內(nèi) 的不同分布狀態(tài)就叫做微觀態(tài)．,規(guī)則,規(guī)則,對應(yīng),2．氣體向真空的擴散 一切自然過程總是沿著分子熱運動的 增大的方向進行． 3．熵 (1)定義式：S＝klnΩ，式中S表示熵，k表示 ，Ω表示微觀態(tài)的 ． (2)意義：表示系統(tǒng)內(nèi)分子運動 的量度． (3)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 ．,無序性,玻耳茲曼,常量,數(shù)目,無序性,減小,二、能源和可持續(xù)發(fā)展 1．能量耗散與品質(zhì)降低 (1)能量耗散 ①能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為 ，流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象． ②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 ．,內(nèi)能,方向性,(2)能量品質(zhì)降低 ①各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是微觀領(lǐng)域內(nèi)由無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的． ②內(nèi)能向機械能的轉(zhuǎn)化過程，由熱力學(xué)第二定律知道，這種轉(zhuǎn)化是有條件的，即環(huán)境中必須存在著溫度差，而且內(nèi)能不能全額轉(zhuǎn)化為機械能． ③因此，從可被利用的價值來看，內(nèi)能相對于機械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量．,2．能源與人類社會發(fā)展 (1)能源是社會存在與發(fā)展永遠(yuǎn)不可或缺的必需品，是國民經(jīng)濟運行的物質(zhì)基礎(chǔ)，它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會的三大支柱． (2)能源科技的每一次突破，都帶來了生產(chǎn)力的巨大飛躍和社會的進步． 3．能源與環(huán)境 能源種類：煤、 、天然氣等常規(guī)能源 環(huán)境問題：溫室效應(yīng)、 、光化學(xué)煙霧,石油,酸雨,4．開發(fā)新能源 (1)化石能源的短缺和利用常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染，使得新能源的開發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急． (2)新能源主要有下列幾種： ①太陽能 ② . ③風(fēng)能 ④水(河流、潮汐)能 太陽能、風(fēng)能、水能是清潔能源,生物質(zhì)能,一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義的理解 1．有序、無序的含義 “無序”意味著各處一樣、平均、沒有差別，而有序則正好相 反． 2．熵的含義 “有序”和“無序”是相對而言的，是從有序程度上講的，熵是宏觀態(tài)無序程度的量度，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，即越無序，熵越低即越有序．,3．熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 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．所以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．換一種角度看，初始我們根據(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．,同理可知，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．,4．熱力學(xué)第二定律的微觀意義 第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀的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．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”．,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行,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. 答案： CD,二、能源的分類與應(yīng)用,【特別提醒】 大量能量的使用不會使能的總量減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，將能量從高度有用的形式降為不大可用的形式，所以要節(jié)約能源．,以下說法正確的是( ) A．煤、石油、天然氣等燃料的最初來源可追溯到太陽能 B．汽油是一種清潔能源 C．水能是可再生能源 D．煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的,解析： 煤、石油、天然氣等是動植物轉(zhuǎn)化成的，其來源可追溯到太陽能，A對；汽油燃燒會引起一些化合物的產(chǎn)生，導(dǎo)致有毒氣體的生成，B錯；水源是可再生能源，C對；煤、石油等存量是有限的，是不可再生能源，D錯． 答案： AC,◎ 教材資料分析 〔思考與討論〕——教材P67 下面這些過程中，能量的“歸宿”在哪里？ 流水帶動水磨做功，什么能轉(zhuǎn)化成了什么能？流水的機械能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？傳說中，三國時代的猛張飛站在當(dāng)陽橋前一聲吼，“喝斷了橋梁水倒流”，吼過之后靜下來，他的聲能最終轉(zhuǎn)化為什么能？ 日光燈把教室照得如同白晝，關(guān)燈后滿屋漆黑．原先的光能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？,把電爐接入電路，電能表轉(zhuǎn)得飛快，表明消耗著電能．這些電能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？ 燃燒過程中燃料的化學(xué)能要釋放出來．這些化學(xué)能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？ 【點撥】 流水帶動水磨做功，水的動能轉(zhuǎn)化為水磨的機械能，最后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．聲能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能．日光燈原先的光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．電爐接入電路，電能最后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．燃料燃燒釋放出來的能量最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.,以一副撲克牌為例，下列關(guān)于有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的認(rèn)識中不正確的是( ) A．按黑桃、紅桃、草花、方塊的順序，而且從大到小將撲克牌排列起來，撲克牌這時是有序的 B．將撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，撲克牌是無序的，每部分內(nèi)部是有序的 C．一副撲克牌，這就是一個宏觀態(tài)，將牌洗動一次就是一個微觀態(tài),D．一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個宏觀態(tài)，它是一副撲克牌對應(yīng)的一個微觀態(tài) E．一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個宏觀態(tài)，從偶數(shù)部分抽出一張插入到奇數(shù)部分，它是該宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài) 解析： A中撲克牌的排列是有確定規(guī)則的，是有序的，A正確． B中將撲克牌按奇、偶分成兩部分，是有確定規(guī)律的，是有序的，每部分內(nèi)部排列是沒有規(guī)則的，是無序的，B不正確．,一副撲克牌是一個系統(tǒng)，是一個宏觀態(tài)．洗動一次，系統(tǒng)內(nèi)部排列不同，是這副撲克牌宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài)，C正確． 將一副撲克牌分成奇、偶兩部分，構(gòu)成一個系統(tǒng)，是一個宏觀態(tài)，同時，它又是一副撲克的一種排列形式，是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài)，D正確． 從偶數(shù)部分中抽出一張插入奇數(shù)部分中，不再對應(yīng)于按奇偶分成兩部分的撲克牌這一宏觀態(tài)，也不再是該宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài)，可以當(dāng)做是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)，E錯誤． 答案： BE,【反思總結(jié)】 熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較多無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展．熱力學(xué)第二定律的適用范圍： (1)熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，只對有大量分子所組成的系統(tǒng)才適用； (2)不能把熱力學(xué)第二定律推廣到浩瀚的宇宙中去，因為宇宙不是一個孤立的系統(tǒng)．,【跟蹤發(fā)散】 1－1：關(guān)于氣體向真空中擴散的規(guī)律的敘述中正確的是( ) A．氣體分子數(shù)越少，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 B．氣體分子數(shù)越多，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 C．?dāng)U散到真空中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大 D．氣體向真空中擴散時，總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行,解析： 氣體分子向真空中擴散時，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數(shù)越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確、B錯誤．?dāng)U散到真空中的分子在整個容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最強，C、D正確． 答案： ACD,關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點正確的是( ) A．無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為 B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的 C．能源的開發(fā)和利用，必須同時加強對環(huán)境的保護 D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機的主要途徑,解析： 答案： ACD,【跟蹤發(fā)散】 2－1：下列供熱方式最有利于環(huán)境保護的是( ) A．用煤做燃料供熱 B．用石油做燃料供熱 C．用天然氣或煤氣做燃料供熱 D．用太陽能灶供熱,解析： 煤、石油、天然氣等燃料的利用，使人類獲得大量的內(nèi)能．但由于這些燃料中含有雜質(zhì)以及燃燒的不充分，使得廢氣中含粉塵、一氧化碳、二氧化硫等物質(zhì)污染了大氣．而太陽能是一種無污染的能源，應(yīng)大力推廣，故答案應(yīng)選D. 答案： D,1．下面關(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行 C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小,解析： 系統(tǒng)的熱力學(xué)過程就是大量分子無序運動狀態(tài)的變化，從微觀角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，所以A對．熱力學(xué)第二定律的微觀意義是“一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行”，所以B、C均錯．D是在引入熵之后對熱力學(xué)第二定律微觀意義的描述，D對． 答案： AD,2．下列對能量耗散的理解正確的有( ) 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,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會轉(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，宇宙的能量既沒有減少，也沒有消失，它只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． 答案： BD,3．導(dǎo)致大氣中CO2濃度增加的主要原因是( ) A．大量植物和生物物種滅絕 B．大量燃料如石油、煤炭、天然氣等的燃燒 C．人口劇增，呼出的二氧化碳增多 D．自然因素破壞了地球環(huán)境生態(tài)平衡 解析： 從生活實際出發(fā)，應(yīng)該知道現(xiàn)代社會的工業(yè)、生活等會消耗大量的煤、石油、天然氣等化石燃料，它們在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，這些二氧化碳直接排入大氣中，導(dǎo)致大氣二氧化碳濃度增加． 答案： B,4．能源利用的過程實質(zhì)上是( ) A．能量的消失過程 B．能量的創(chuàng)造過程 C．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程 D．能量的轉(zhuǎn)化、傳遞并且逐漸消失的過程 解析： 能源利用的過程是做功或熱傳遞的過程，前者是能量的轉(zhuǎn)化，后者是能量的轉(zhuǎn)移． 答案： C,5．關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點不正確的是( ) A．能源是有限的，無節(jié)制的利用能源，是一種盲目的短期行為 B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的 C．能源的開發(fā)和利用，必須同時加強對環(huán)境保護 D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機、加強環(huán)境保護的主要途徑,解析： 化石能源的資源是有限的，因此要開發(fā)和利用新能源，同時加強環(huán)境保護，故選B. 答案： B,6．煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能資源的能量形成和轉(zhuǎn)換利用過程基本上是( ) A．太陽能輻射→化學(xué)能→熱能 B．太陽能輻射→機械能→電能 C．生物質(zhì)能→電能→化學(xué)能→熱能 D．太陽能輻射→機械能→化學(xué)能 解析： 太陽能輻射轉(zhuǎn)化成了煤、石油、天然氣等的化學(xué)能，在對這些能源利用的過程中，又把它們的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了熱能． 答案： A,7．下列哪些現(xiàn)象屬于能量耗散( ) A．利用水流能發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能 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,解析： 能量耗散是指其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終流散在周圍環(huán)境中無法重新收集并加以利用的現(xiàn)象，能夠重新收集并加以利用的能不能稱能量耗散．本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等．只有當(dāng)用電燈照明時的光能被墻壁吸收之后變?yōu)橹車h(huán)境的內(nèi)能，才無法重新收集并加以利用，但本題沒有告訴這光能用來做什么，故不能算能量耗散．只有火爐把房子烤熱后使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能并流散在周圍的環(huán)境中，無法重新收集并加以利用，才是能量耗散． 答案： D,8．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是( ) A．熱機中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機械能 B．電流的能不可能全部變成內(nèi)能 C．在火力發(fā)電機中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能 D．在熱傳遞中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體,解析： 凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性，無論采用任何設(shè)備和手段進行能量轉(zhuǎn)化，總是遵循“機械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能”，故A正確．火力發(fā)電機發(fā)電時．能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能，因為內(nèi)能→機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?，C正確．熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進行，必須借助外界的幫助．結(jié)果會帶來其他影響，這正是熱力學(xué)第二定律第一種表述的主要思想，故D正確．由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知，電流的能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B錯誤． 答案： ACD,