6熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

1、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)1 1.了解有序和無序是相對的，知道宏觀態(tài)與微觀態(tài)，知道宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無序程度的關(guān)系.2.2.知道嫡的概念，了解嫡增加原理，知道它是熱力學(xué)第二定律的另一種表述 3 3了解能量耗散、能源和環(huán)境.一、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋導(dǎo)學(xué)探究(1)(1)如圖 1 1 所示，一個(gè)箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有 4 4 個(gè)氣體分子 a a、b b、c c、d,d,右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴(kuò)散，以箱子內(nèi)的 4 4 個(gè)分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說明，氣體擴(kuò)散后 4 4 個(gè)分子分布的最大一種可能和最小一

2、種可能的情況.圖 1 1(2)(2)試著從無序的角度談?wù)勆厦鎲栴}中為什么“左 2 2 右 2 2”這種均勻分布的可能性最大，能否由此得出熱力學(xué)第二定律的微觀意義？答案(1)(1)可能的宏觀態(tài)有：左 0 0 右 4,4,左 1 1 右 3,3,左 2 2 右 2,2,左 3 3 右 1,1,左 4 4 右 0;0;對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目：1 1、4 4、6 6、4 4、1 1.不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能情況是左 2 2 右 2,2,最小一種可能情況是左 0 0 右 4 4 或左 4 4 右 0.0.(2)(2)從無序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運(yùn)動(dòng)的分子組成的

3、.因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過程都伴隨著分子的無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左、右兩室這一個(gè)整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了.我們看到“左 2 2 右 2 2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最小.實(shí)際上，當(dāng)氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多時(shí)，撤去擋板后實(shí)際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室中的現(xiàn)象.因此，氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，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，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義.知識梳理1 1.

4、有序和無序：一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種視則，有順序地排列即有序；個(gè)體分布沒有_(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序.2,2,宏觀態(tài)和微觀態(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).一個(gè)“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無序的.3 3 . .熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)(1)氣體向真空的擴(kuò)散：氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的.(2)(2)熱力學(xué)第二定律的微觀意義：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匚行.4 4 .嫡及嫡增加原理(1)(1)嫡：表達(dá)式 S=klnQ,kS=klnQ,k 表示玻耳茲曼常量，

5、表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目上S S 表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度,稱為嫡.(2)(2)嫡增加原理：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總嫡不會(huì)減小.即學(xué)即用判斷下列說法的正誤.一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無序”是絕對的.(X)(X)(2)(2)一個(gè)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，則嫡越大.(V)(V)(3)(3)嫡值越大代表著越有序.(X)(X)(4)(4)孤立系統(tǒng)的總嫡可能增大，也可能減小.(X)(X)二、能源和可持續(xù)發(fā)展導(dǎo)學(xué)探究 (1)(1)流動(dòng)的水帶動(dòng)水磨做功， 由于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環(huán)

6、境中，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.可見，內(nèi)能與機(jī)械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？(2)(2)如圖 2 2 所示是兩幅宣傳節(jié)約能源的圖片.請問：既然能量是守恒的，我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源？(3)(3)化石能源的大量消耗會(huì)帶來哪些環(huán)境問題？答案(1)(1)內(nèi)能.(2)(2)能量是守恒的，但能量耗散卻導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，在利用它們的時(shí)候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量.(3)(3)溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等.知識梳理1 1 . .能量耗散和品質(zhì)降低(1)(1)能量耗散： 有序度較高(集中度較高) )的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)一流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象.(2)(2

7、)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)(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)(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)形式降級為不大可用的低品質(zhì)形式.2 2 . .能源與環(huán)境(1)(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)(2)新能源：主要有太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能、核能等.(3)(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.即學(xué)即用

8、判斷下列說法的正誤.(1)(1)能源是取之不盡、用之不竭的.(X)(X)(2)(2)能源是有限的，特別是常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣等.(V)(V)(3)(3)大量消耗常規(guī)能源會(huì)使環(huán)境惡化，故提倡開發(fā)利用新能源.(V)(V)(4)(4)核能的利用對環(huán)境的影響比燃燒石油、煤炭大.(X)(X)、熱力學(xué)第二定律的微觀意義1 1 . .熱力學(xué)第二定律的微觀解釋(1)(1)熱傳遞的方向性：高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，但是高溫物體中分子熱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了，而高溫物體分

9、子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)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.(2)(2)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的方向性：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(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程.2 2 . .熱力學(xué)第二定律的微觀意義熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個(gè)方向上發(fā)生，而不會(huì)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.3 3 . .對嫡的四點(diǎn)理解(1)(1)嫡的微觀意義：嫡是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無序性的量度.(2)(2)嫡是表示一個(gè)體系自由度的物理量.嫡越大，

10、表示在這個(gè)體系下的自由度越大，可能達(dá)到的狀態(tài)越多.(3)(3)嫡不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過一個(gè)不可逆過程，嫡總是增加的.(4)(4)嫡的本質(zhì)：嫡是體系微觀混亂度的量度，混亂度越大，嫡值也越大.1 1（多選）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.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.B.熱傳遞的自然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.C.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D.D.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)行答案 CDCD解析分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏

11、觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無序的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)嫡增加原理，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)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(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，故選C C、D.D.(1)(1)一切自發(fā)過程都是不可逆的，總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)化發(fā)展的過程，即無序性增加的過程.(2)(2)傳熱過程是大量分子由無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過程，體現(xiàn)了熱傳遞的方向性.針對訓(xùn)練 1 1(多選)關(guān)于氣體向真空中擴(kuò)散的規(guī)律的敘述中正確的是()()A.A.氣體分子數(shù)越少，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大B

12、.B.氣體分子數(shù)越多，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C.C.擴(kuò)散到真空中的分子在整個(gè)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.D.氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行答案 ACDACD解析氣體分子向真空中擴(kuò)散時(shí)，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 A 正確，B B 錯(cuò)誤.擴(kuò)散到真空中的分子在整個(gè)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)的無序性最大，C C、D D 正確.2 2 下列關(guān)于嫡的說法中錯(cuò)誤的是()()A.A.嫡是系統(tǒng)

13、內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度B.B.在自然過程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的嫡總是增加或不變的C.C.熱力學(xué)第二定律也叫做嫡減小原理D D.嫡值越大代表著越無序答案 C C解析一切自發(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，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義.系統(tǒng)的熱力學(xué)過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程.自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的嫡值不會(huì)減小，因此熱力學(xué)第二定律又稱為嫡增加原理.故 A A、B B、D D 說法正確，C C 說法錯(cuò)誤.二、能源和可持續(xù)發(fā)展1 1 . .能源開發(fā)和利用加強(qiáng)新能源，特別是清潔能源的開發(fā)和利用，控制化石能源開采，提高能源的利用率，降低對環(huán)境

14、的污染.2 2 . .能源對環(huán)境的影響(1)(1)常規(guī)能源對環(huán)境的影響：石油和煤燃燒產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，產(chǎn)生了“溫室效應(yīng)”，引發(fā)了一系列問題，如兩極的冰雪融化、海平面上升，海水倒灌、耕地鹽堿化這些都是人類過度開發(fā)自然所產(chǎn)生的嚴(yán)重問題.(2)(2)做好環(huán)境保護(hù)工作：目前的任務(wù)是采用能源新技術(shù)，解決突出的環(huán)境污染問題.例如，城市生活垃圾問題，變垃圾為能源；提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率，解決尾氣問題，達(dá)到廢氣“零”排放；環(huán)境污染的綜合治理問題，解決廢物、廢水、廢氣等，變廢為寶.3 3 關(guān)于能源的開發(fā)和節(jié)約，你認(rèn)為下列哪些觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的（）（）A.A.常規(guī)能源是有限的，無節(jié)制地利用常規(guī)能源，

15、如石油之類，是一種盲目的短期行為B.B.根據(jù)能量守恒定律，擔(dān)心能源枯竭是一種杞人憂天的表現(xiàn)C.C.能源的開發(fā)和利用，必須要同時(shí)考慮其對環(huán)境的影響D.D.通過核聚變和平利用核能是目前開發(fā)新能源的一種新途徑答案 B B解析能量雖然守恒，但能量耗散導(dǎo)致能量的品質(zhì)降低即不可再利用，也往往對環(huán)境產(chǎn)生破壞，從而應(yīng)開發(fā)新型的清潔型的能源，故 B B 選項(xiàng)錯(cuò).能量與能源的區(qū)別1 1 能量是守恒的，既不會(huì)增加也不會(huì)減少. .2 2 能源是可以提供可利用能量的物質(zhì). .3 3 能量耗散，能量總量不變，但能量品質(zhì)會(huì)下降即能源減少，故我們要節(jié)約能源 針對訓(xùn)練 2 2（多選）下列對能量耗散理解正確的是（）（）A.A.能

16、量耗散說明能量在不斷減少B.B.能量耗散遵守能量守恒定律C.C.能量耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但可以憑空消失D.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答案 BDBD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，它從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，故 A A、C C 錯(cuò),B B、D DX.X.1 1 . .下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說法正確的是（）（）A.A.從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B.B.一切自然過程總是沿著分

17、子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行C.C.有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行D.D.在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總嫡會(huì)減小答案 A A解析熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A A 對；從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，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，B B、C C 錯(cuò)；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行，也就是嫡增加的方向進(jìn)行，故 D D 錯(cuò).所以選 A.A.2 2 . .（多選）對于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過程，下列說法中正確的是（）（）A.A.系統(tǒng)的總嫡可能增大或不變，不可能減小B.B.系統(tǒng)的總嫡可能增大，可

18、能不變，還可能減小C.C.系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展D.D.系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展答案 ACAC解析在孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過程，其系統(tǒng)的總嫡不可能減小，故選項(xiàng) A A 正確，B B 錯(cuò)誤.根據(jù)嫡增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故選項(xiàng) C C 正確，D D 錯(cuò)誤.3 3 . .（多選）熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象.所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把流散的能量重新收集利用.下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()()A.A.能量耗散說明能量不守恒B.B.能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C.C.能量耗散過程中能量仍守恒D.D.

19、能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案 CDCD解析能量耗散說明能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，符合熱力學(xué)第二定律，B B 錯(cuò)誤，D D 正確；能量耗散過程中，能量并沒有消失，能量仍然守恒，A A 錯(cuò)誤，C C 正確.4 4 . .下列哪些現(xiàn)象屬于能量耗散（）（）A.A.利用水流能發(fā)電變成電能B.B.電能通過燈泡中的電阻絲轉(zhuǎn)化為光能C.C.電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能D.D.火爐把房子烤暖答案 D D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不能稱為能量耗散.本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用，如

20、用光作為能源的手表等，只有當(dāng)用電燈照明時(shí)的光能被墻壁吸收之后變?yōu)橹車h(huán)境的內(nèi)能，才無法重新吸收并加以利用，但本題沒有告訴光能用來做什么，故不能算能量耗散，只有火爐把房子烤暖后使燃料的化學(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.故選 D.D.、選擇題1 1 . .已知一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)宏觀態(tài)甲、乙及對應(yīng)微觀態(tài)的個(gè)數(shù)分別為較少、較多，則下列關(guān)于對兩個(gè)宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法中正確的是A.A.甲比較有序，乙比較無序，甲乙B.B.甲比較無序，乙比較有序，甲乙C.C.甲比較有序，乙比較無序，乙甲D.D.甲比較無序，乙比較有序，乙甲答案 A A解析一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)微

21、觀態(tài)的多少標(biāo)志了宏觀態(tài)的無序程度，從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)的方向，微觀態(tài)數(shù)目越多，表示越無序，一切自然過程總沿著無序性增大的方向進(jìn)行，A A 對,B B、C C、D D 錯(cuò).2 2 .作為新能源，從環(huán)保角度來看，氫氣具有的突出特點(diǎn)是（）（）A.A.在自然界里存在氫氣B.B.氫氣輕，便于攜帶C.C.燃燒氫氣無污染D.D.氫氣燃燒發(fā)熱量高答案 C C3.3.（多選）對“覆水難收”的敘述正確的是（）（）A.A.盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序B.B.盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序C.C.潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序D.D.潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序答案 ACAC4.4.（多選）下列說法