高中物理第十章热力学定律第5、6节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展教学案人教版3
第5、6节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展
1.热力学第二定律的微观意义：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．热力学第二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
质形式降低为不大可用的低品质形式。
一、热力学第二定律的微观解释
1．有序、无序
一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；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＝k ln Ω，k表示玻耳兹曼常量，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变化过程具有方向性。
(4)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．能源和环境
1．自主思考——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减少，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，热力学第二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：人们在使用能源的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。虽然能量不会减少，但能源会越来越少，所以要节约能源。
(3)流动的水带动水磨做功，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升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的空气中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。请思考：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减少，却会导致能量品质的降低，它实际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。
热力学第二定律的微观意义
1．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”又常常被称为“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学概率大的状态进行。从熵的意义上来说，系统自发变化时，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一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。
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
解析：选CD 因为大量分子做无规则热运动，因此系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是无序的运动；热运动的结果只能使分子热运动更加无序；热传递的自然过程是自发进行的；由热力学第二定律的微观意义知，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。故C、D正确，A、B错误。
2．(多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )
A．从微观的角度看，热力学第二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 从热力学第二定律的微观本质看，一切不可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，我们知道热力学第二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。
3．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可避免地要向冷凝器的周围环境散发热量，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，但必须有外界的帮助；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使用煤、石油、天然气
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
可循环使用、不断补充水能、风能、生物质能、地热能不可再生短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料
能源
按对环
境污染
情况分
清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、石油、天然气)
1．(多选)下列关于能源的说法中正确的是( )
A．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．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
解析：选BC 尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集起来并加以利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，故A错误，B正确。常规能源的利用比核能的利用对环境影响大，故C正确，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．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C．能源的开发和利用，必须同时加强对环境的保护
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，必须合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但使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，必须加强保护，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减少
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，但可以凭空消失
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周围环境的内能，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，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，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．有序和无序是绝对的
B．一个“宏观态”可能对应着许多的“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．(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是( )
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、两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
解析：选BC “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的含量。它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C选项正确。
3．下列关于熵的有关说法错误的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中熵总是增加的
C．热力学第二定律也叫做熵减小原理
D．熵值越大代表越无序
解析：选C 根据熵增加原理，不可逆过程总是朝着熵增大的方向进行，故C错。
4．下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A．用煤做燃料供热
B．用石油做燃料供热
C．用天然气或煤气做燃料供热
D．用太阳能供热
解析：选D 煤、石油、天然气、煤气均为常规能源(化石能源)，大量使用会产生二氧化碳，加重“温室效应”，并且燃料燃烧释放的气体中含有有毒有害气体，污染环境。而太阳能是一种清洁能源，对环境影响小。故D对。
5．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志，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。
6．(多选)热现象过程中不可避免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第二定律
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第二定律，故C、D对。
7．(多选)关于气体向真空中扩散的规律的叙述中正确的是( )
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，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析：选ACD 气体分子向真空中扩散中时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正确B错误。扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D正确。
8.质量一定的某种物质，在压强不变的条件下，由液体Ⅰ与气态Ⅲ(可看成理想气体)变化过程中温度(T)随加热时间(t)变化关系如图1所示。单位时间所吸收的热量可看成不变。
图1
(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，则温度升高________(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，要吸收热量，内能增加，A 错误；区间Ⅲ看成理想气体，无分子势能，B 正确；从区间Ⅰ到区间Ⅲ是不可逆过程，分子无序性增加，熵增加，C 正确；在区间Ⅰ，随时间增加，物质温度升高，分子热运动的平均动能增大，D 正确。
(2)根据热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W ，理想气体的状态方程pV T ＝C 可知，在吸收相同的热量Q 时，压强不变的条件下，V 增加，W ＜0，ΔU 1＝Q －|W |；
体积不变的条件下，W ＝0，ΔU 2＝Q ；
所以ΔU 1＜ΔU 2，体积不变的条件下温度升高变快。
答案：(1)BCD (2)变快 理由见解析
9．瀑布从20 m 高处以103 m 3/s 的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2 m/s 的速度流出，水轮机再带动发电机发电。如果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略不计，g 取10 m/s 2)
解析：设t 时间内流下的水的质量为m ，以m 为研究对象，竖直下落后减少的机械能为mgh －12
mv 2
转化为电能的功率为 P ＝E t
＝mgh －12mv 2×0.8t ＝m t (gh －v 22)×0.8＝103×103×(10×20－12×22)×0.8 W≈1.58×108 W ＝1.58×105 kW 。
答案：1.58×105
kW