1、56 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展,一、热力学第二定律的微观解释 1.有序、无序:只要确定了某种规则,系统内的个体符合这个规则的为有序;个体分布没有确定的要求,怎样分布都可以,这样的分布为无序。有序和无序是相对的。 2.宏观态、微观态:对系统的状态做出某些顺序要求,我们就是规定了一个“宏观态”,系统在符合顺序的情况下可以有不同的排列,这些不同的排列即为“微观态”。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多,就说这个宏观态是比较无序的。,3.热力学第二定律的微观意义。 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=kln ,k表示玻
2、耳兹曼常量, 表示一个宏观态所对应的微观态的数目,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 阅读教材第6769页第6节“能源和可持续发展”部分,知道什么是能量耗散和品质降低,了解能源和环境问题。 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,即成为更加分散因而也是无序度更大的能量,流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。 (2)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,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.能源和环
3、境。,自我检测 1.判断正误,对的画“”,错的画“”。 (1)如果一个宏观态对应的微观态比较多,说明该宏观态是比较无序的。 ( ) 解析:一个宏观态对应的微观态比较多,说明对该宏观态要求得少,其分布是比较无序的。 答案: (2)熵越大,系统对应的微观态就越少。 ( ) 解析:熵越大,系统对应的微观态就越多,因为熵是系统无序性的量度。 答案:,(3)在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会增加。 ( ) 解析:由熵增加原理可得:一个孤立系统的总熵不会减小。 答案: (4)自发的宏观过程总是向无序性增大的方向发展。 ( ) 解析:根据熵增加原理,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,即自发
4、的宏观过程总是向无序性增大的方向发展。 答案:,2.探究讨论。 (1)质量相等的冰和水,它们的熵相等吗? 答案:不相等。虽然分子数相同,但是液态水分子的无序程度要高于冰的。 (2)一个物体在粗糙的平面上滑动,最后停止。系统的熵如何变化? 答案:由于物体受到摩擦力而停止运动,其动能变为系统的内能,增加了系统分子无规则运动的程度,使得无规则运动加强,也就是系统的无序程度增加了,所以系统的熵增加。 (3)既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源? 答案:能量是守恒的,但能量耗散却导致能量品质的降低,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。可见,虽然能量不会减少,但方便使用的能源会越来越少,所以
5、要节约能源。,探究一,探究二,对热力学第二定律微观意义的理解 问题探究如图所示,将一滴红墨水滴入一杯清水中,红墨水会逐渐扩散到整杯水中,呈均匀分布状态,这个过程中熵的变化情况怎样? 要点提示在这个过程中系统的熵增加。扩散前,红墨水和清水区分分明,较有序;后来,整杯水的颜色变得均匀后,打破了原来的有序分布,无序程度增大。因此,扩散后系统的熵增加。,知识归纳 1.对熵的理解 (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,这个系统的熵就越大。 (2)从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,而熵
6、值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。 (3)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小,这就是熵增加原理。 (4)在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。熵增加原理的适用对象是对于孤立系统,如果是非孤立系统,熵有可能减少。,探究一,探究二,探究一,探究二,2.对热力学第二定律微观意义的理解 (1)热力学第二定律的微观解释: 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较
7、大,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剧烈程度会逐渐加剧,即低温物体的温度升高。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓,即高温物体的温度降低。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。换一种角度看,初始我们根据温度的高低来区分两个物体,而最终状态是两个物体上的温度处处相同,无法区别,我们就说系统的无序程度增加了。 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。,探究一,探究二,(2)热力学第二定律的微观意义: 热力学第二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
8、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,哪些不可能发生。自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的,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,熵又被称为“时间箭头”。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】 (多选)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 【
9、思考问题】 一切自然过程沿什么方向进行? 提示一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,探究一,探究二,解析:分子热运动是大量分子的无规则运动,系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态,这是一个无序的运动,根据熵增加原理,热运动的结果只能使分子热运动更加无序,而不是变成了无序,热传递的自然过程从微观上讲就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,故选项C、D正确。 答案:CD热力学第二定律的微观解析 一切自然过程总是沿着分子无序性增大的方向进行。系统自发变化时,总是向着无序程度增加的方向发展,至少无序程度不会减少。也就是说,系统自发变化时,总是由热力学概率小的状态向热力
10、学概率大的状态进行。,探究一,探究二,变式训练1(多选)下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述正确的是( ) A.气体分子数越小,扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大 B.气体分子数越大,扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大 C.扩散到真空容器中的分子在整个容器中分布越均匀,其宏观态对应的微观态数目越大 D.气体向真空中扩散时,总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行 解析:由热力学第二定律的微观解释“一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行”和熵的概念可知,A、C、D正确。 答案:ACD,探究一,探究二,能源和可持续发展 问题探究 说明下列能源利用方式中的能量转化过程
11、是怎样的? (1)水力发电; (2)电动水泵抽水; (3)柴油机牵引列车前进; (4)火箭发射人造卫星。 要点提示(1)水力发电是将水的机械能转化为电能。(2)电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能。(3)柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能,再转化为列车的机械能。(4)火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能。,探究一,探究二,知识归纳 1.对“能量耗散和品质降低” 的理解 (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、
12、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。,探究一,探究二,2.能源的分类,探究一,探究二,探究一,探究二,3.能源的开发与利用关系图,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】 (多选)下列关于能量耗散的说法正确的是( ) A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律 B.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用 C.各种形式的能量向内能的转化,是能够自动全额发生的 D.能量耗散导致能量品质的降低 解析:能量耗散是能量在转化的过程
13、中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,遵守能量守恒定律,但使得能量品质降低,故选项A错误,选项D正确;耗散的内能无法再被利用,选项B正确;其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能,但相反过程却不能够全额进行,选项C正确。故选B、C、D。 答案:BCD,探究一,探究二,能量耗散不仅遵循能量守恒定律,而且从能量的角度反映出自然界与热现象有关的宏观过程具有方向性。,探究一,探究二,变式训练2(多选)下面关于能源的说法正确的是( ) A.一切能源是取之不尽、用之不竭的 B.能源是有限的,特别是常规能源,如煤、石油、天然气等 C.大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源 D.核能的利用对环
14、境的影响比燃烧石油、煤炭大 解析:尽管能量守恒,但耗散的内能无法重新收集利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,A错误,B正确;常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大,C正确,D错误。 答案:BC,1,2,3,4,5,1. 已知一个系统的两个宏观态甲、乙,及对应微观态的个数分别为较少、较多,则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是( ) 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志着宏观态的无序程度,从中还可以推知系统自发的方向,微观态数目越
15、多,表示越无序,一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行,A项正确,B、C、D项错误。 答案:A,1,2,3,4,5,2.(多选)下列说法正确的是( ) A.能量耗散,说明能量在不断减少 B.因为液体表面分子分布比内部稀,所以表面有收缩趋势 C.某些液晶中掺入少量多色性染料后,对不同颜色的光吸收强度与所加电场的场强有关 D.温度高的物体具有的内能一定比温度低的物体具有的内能多,1,2,3,4,5,解析:能量耗散是指能量的可利用率越来越低,但仍然遵守能量守恒定律,故A错误;液体表面层的分子间同时存在相互作用的引力与斥力,但由于分子间的距离大于分子的平衡距离r0,分子引力大于分子斥力,分子力表现为引
16、力,即存在表面张力,表面张力使液体表面有收缩的趋势,B正确;彩色液晶显示屏是应用液晶在不同电场中对不同颜色的光吸收强度不同制成的,C正确;物体的内能与物质的量、温度、体积、以及物态有关,温度高的物体具有的内能不一定比温度低的物体具有的内能多,故D错误。 答案:BC,1,2,3,4,5,3. 下面关于熵的说法错误的是( ) A.熵是物体内分子运动无序程度的量度 B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行 C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的 D.熵值越大,代表系统分子运动越无序 解析:熵是物体内分子运动无序程度的量度,熵值越大,代表系统分子运动越无序,A、D正确;在孤立系统中,一
17、个自发的过程熵总是向增加的方向进行,B错误;热力学第二定律又可表述为一切自然过程都遵守熵增加原理,其微观实质是熵增加,C正确。 答案:B,1,2,3,4,5,4.(多选)下列关于能源的说法正确的是( ) A.石油、天然气都属于新能源 B.能量耗散不遵循能量守恒定律 C.能量耗散会导致能量品质的降低 D.为了可持续发展,必须节约能源 解析:石油、天然气属于常规能源,A项错误;能量耗散同样遵循能量守恒定律,但能量耗散导致能量品质降低,B项错误,C项正确;因可用能源正在减少,故为了可持续发展,必须节约能源,D项正确。 答案:CD,1,2,3,4,5,5. 某市有20万台空调机,每台空调机在夏季平均使用60天,每天耗电8 kWh。为了节约能源,该市政府建议大家都把室内设定温度提高1 ,这样每台空调机每天可节省6%的电能。那么这样做能使该市在夏季节省多少电能?已知标准烧煤的热值是2.92107 J/kg。发电厂的发电效率是30%。请计算一下,这项节能建议的实现能为我们后辈留下多少吨标准煤? 解析:设可节省的电能为E,则E=86%6020104 kWh=5.76106 kWh2.11013 J 设可为后辈留下标准煤质量为m,则由能量守恒定律有2.92107 J/kgm30%=E 解得m2.4106 kg=2.4103 t。 答案:2.11013 J 2.4103 t,
