高中物理人教版3第十章熱力學(xué)定律5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 第10章56

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)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.知道有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念．(重點(diǎn))2.知道宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無序程度的關(guān)系．知道熱力學(xué)第二定律的微觀意義．(重點(diǎn))3.掌握熵的概念，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．(難點(diǎn))4.知道什么是能量耗散和品質(zhì)降低．了解能源與人類社會(huì)、環(huán)境的的關(guān)系．(難點(diǎn))熱力學(xué)第二定律的微觀解釋eq\a\vs4\al([先填空])1．有序、無序一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個(gè)體分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序．2．宏觀態(tài)、微觀態(tài)系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)．3．熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行．4．熵表達(dá)式S＝klnΩ，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目．S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度，稱為熵．5．熵增加原理在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減?。甧q\a\vs4\al([再判斷])1．熵越小，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越少．(√)2．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程．(√)3．大量分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．質(zhì)量相同、溫度相同的水，如圖10-5-1所示，分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？氣體液體固體圖10-5-1【提示】質(zhì)量相同、溫度相同的水，可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)化．所以，氣態(tài)時(shí)的熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時(shí)的熵最?。?．熵的大小與無序性的大小有什么關(guān)系？在自然過程中，孤立系統(tǒng)的熵一定增大嗎？【提示】熵值越大其無序性越大．在自然過程中，孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])熱力學(xué)第二定律的微觀解釋和熵1．熱力學(xué)第二定律的微觀解釋(1)熱傳遞過程：從宏觀上看，熱量自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體；從微觀角度看，內(nèi)能從高溫物體向低溫物體傳遞，導(dǎo)致高溫物體中的分子運(yùn)動(dòng)減慢，低溫物體中的分子運(yùn)動(dòng)加快，到溫度相同時(shí)，兩個(gè)物體分子的平均動(dòng)能相同，熱傳導(dǎo)這個(gè)不可逆過程使分子熱運(yùn)動(dòng)的無序程度增加了．(2)功轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔簭暮暧^上看是機(jī)械能或其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程；從微觀上看，機(jī)械運(yùn)動(dòng)中大量分子主要都沿同一方向運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇\(yùn)動(dòng)，分子雜亂無章地向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因此是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)向無序運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的過程．(3)熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)：一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度增大的方向進(jìn)行．2．熵(1)熵的概念：物理學(xué)中用字母Ω表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目，用字母S表示熵，有：S＝k·lnΩ，式中k叫做玻耳茲曼常數(shù)．(2)熵是狀態(tài)量：熵是熱力學(xué)中一個(gè)重要的狀態(tài)函數(shù)(或叫狀態(tài)參量)，熱力學(xué)系統(tǒng)(研究對(duì)象)處于任何一個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)熵函數(shù)，常用S表示．熵的大小表征著熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)粒子熱運(yùn)動(dòng)的雜亂無章的程度．熵值越大的狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)粒子熱運(yùn)動(dòng)就越混亂無序；熵值越小的狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)粒子熱運(yùn)動(dòng)的無序性就越?。?．熵增加原理(1)熵是無序程度的量度：根據(jù)熵的含義，熱力學(xué)系統(tǒng)處于非平衡態(tài)時(shí)的粒子熱運(yùn)動(dòng)有一定的有序性，因此，其熵值較??；當(dāng)其達(dá)到平衡態(tài)后，其粒子熱運(yùn)動(dòng)的無序性達(dá)到極高程度．使其熵值達(dá)到最大值．(2)熱力學(xué)系統(tǒng)演化的方向性：對(duì)于絕熱或孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進(jìn)行，或者說，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減少，這就是熵增加原理，也就是熱力學(xué)第二定律的另一種表述形式．1．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(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)B．熱傳遞的自發(fā)過程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程C．熱傳遞的自發(fā)過程是大量分子從無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程D．一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行E．從微觀的角度看，熱力第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)定律【解析】熱力學(xué)第二定律的微觀意義明確指出：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序程度增大的方向進(jìn)行，所以選項(xiàng)C、D正確，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故E正確．【答案】CDE2．從微觀角度看，下列說法正確的是()A．一個(gè)非孤立系統(tǒng)可能從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展B．一個(gè)非孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展C．一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀越多，越是無序，熵值越大D．出現(xiàn)概率越小的宏觀狀態(tài)熵值越大E．出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大【解析】一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的．熵是描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)無序性程度的．在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，也就是說，一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展．反映了一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。對(duì)于一個(gè)非孤立的系統(tǒng)，在與外界有能量交換時(shí)其熵也有可能變小，故B、D錯(cuò)誤，A、C、E正確．【答案】ACE3．一杯熱水置于空氣中，它總是冷卻到與周圍環(huán)境相同的溫度，因?yàn)樘幱诒戎車鷾囟雀呋虻偷膸茁识驾^小，而與周圍環(huán)境同溫的平衡態(tài)是幾率最大的狀態(tài)，但是這杯水的熵卻減少了，這與熵增加原理相矛盾嗎？【解析】熵增加原理是指在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，不可逆過程總是向熵增加的方向進(jìn)行，如果取這杯熱水和周圍環(huán)境作為一個(gè)封閉系統(tǒng)，整個(gè)過程中此系統(tǒng)的熵是增加的．若僅取一杯水為研究對(duì)象，它不是封閉系統(tǒng)，它與外界有能量交換，雖然水的熵減少，但與熵增加原理不矛盾．【答案】見解析有序及無序過程的判斷(1)判斷此類問題要理解好有序和無序，確定某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就是有序的，不符合這個(gè)規(guī)則和要求的分布是無序的．(2)無序意味著各處平均沒有差別；而有序則相反，是按照某種規(guī)則排列的，有序與無序是相對(duì)的．能源和可持續(xù)發(fā)展eq\a\vs4\al([先填空])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(dòng)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(huì)導(dǎo)致能量總量的減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它實(shí)際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級(jí)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．eq\a\vs4\al([再判斷])1．根據(jù)能量守恒定律可知，節(jié)約能源是沒有必要的．(×)2．能量耗散會(huì)導(dǎo)致總能量的減少，也會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)降低．(×)3．能源的開發(fā)和利用必須同時(shí)考慮其對(duì)環(huán)境的影響．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．流動(dòng)的水帶動(dòng)水磨做功．由于磨盤之間的摩擦、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(jī)械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的空氣中，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．請思考：內(nèi)能與機(jī)械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？【提示】內(nèi)能．能量的耗散雖然不會(huì)使能量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低．它實(shí)際上將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式．故內(nèi)能較之機(jī)械能是一種低品質(zhì)的能量．2．如圖10-6-1所示是鍋爐工作時(shí)的外景，從節(jié)圖10-6-1約能源和環(huán)境保護(hù)角度來看，分析存在的主要問題是什么？【提示】由題圖中的濃煙滾滾，可以發(fā)現(xiàn)存在的主要問題有兩個(gè)：一是燃料燃燒不充分，且煙氣帶走大量的熱量，造成能量損失；二是造成大氣污染．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．如何正確理解能量耗散和品質(zhì)降低(1)各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也不過只能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了．(2)從可被利用的價(jià)值來看，內(nèi)能較之機(jī)械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量.由此可知，能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量的總量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，實(shí)際上是將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式．(3)能量耗散導(dǎo)致可利用能源減少，所以要節(jié)約能源．2．能源的分類能源分類方法能源分類名稱特點(diǎn)舉例按形式或轉(zhuǎn)換特點(diǎn)分一次能源自然形成，未經(jīng)加工太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、核能、潮汐能二次能源由一次能源?jīng)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、水能新能源正在開發(fā)，或有新的利用方式太陽能、核能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、沼氣、風(fēng)能按可否再生分可再生能源可循環(huán)使用水能、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、核燃料按對(duì)環(huán)境污染情況分清潔能源對(duì)環(huán)境基本上沒有污染太陽能、海洋能、風(fēng)能、水能污染能源會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境化石燃料(煤、石油、天然氣)4．下列對(duì)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E．能量耗散符合熱力學(xué)第二定律【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(huì)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，它只從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，恰恰說明符合熱力學(xué)第二定律，故A、C錯(cuò)，B、D、E正確．【答案】BDE5．某地的平均風(fēng)速為5m/s，已知空氣密度是kg/m3，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12m的圓面，如果這個(gè)風(fēng)車能將此圓內(nèi)10%的氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，則該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？