5熱力學第二定律的微觀解釋6能源和可持續發展[學習目標]1.了解有序和無序是相對的，知道宏觀態與微觀態，知道宏觀態對應的微觀態的數目與無序程度的關系.2.知道熵的概念，了解熵增加原理，知道它是熱力學第二定律的另一種表述.3.了解能量耗散、能源和環境．一、熱力學第二定律的微觀解釋[導學探究](1)如圖1所示，一個箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個氣體分子a、b、c、d，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴散，以箱子內的4個分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態和微觀態，并用熱力學第二定律說明，氣體擴散后4個分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況．圖1(2)試著從無序的角度談談上面問題中為什么“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，能否由此得出熱力學第二定律的微觀意義？答案(1)可能的宏觀態有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；對應的微觀態數目：1、4、6、4、1.不同的宏觀態包含著不同數量的微觀態，其中分子分布的最大一種可能情況是左2右2，最小一種可能情況是左0右4或左4右0.(2)從無序的角度看，熱力學系統是由大量做無序運動的分子組成的．因為任何熱力學過程都伴隨著分子的無序運動狀態的變化，當撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左、右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當氣體分子自由擴散后，氣體系統就變得無序了．我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性最小．實際上，當氣體系統中分子個數相當多時，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室中的現象．因此，氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的，綜上可知，一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義．[知識梳理]1．有序和無序：一個系統的個體按確定的某種規則，有順序地排列即有序；個體分布沒有(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序．2．宏觀態和微觀態：系統的宏觀狀態即宏觀態，系統內個體的不同分布狀態即微觀態．一個“宏觀態”對應的“微觀態”比較多，就說這個“宏觀態”是比較無序的．3．熱力學第二定律的微觀意義(1)氣體向真空的擴散：氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的．(2)熱力學第二定律的微觀意義：一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行．4．熵及熵增加原理(1)熵：表達式S＝klnΩ，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個宏觀狀態所對應的微觀態的數目，S表示系統內分子運動無序性的量度，稱為熵．(2)熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減小．[即學即用]判斷下列說法的正誤．(1)一個系統中個體排列的“有序”和“無序”是絕對的．(×)(2)一個宏觀態所對應的微觀態數目越多，則熵越大．(√)(3)熵值越大代表著越有序．(×)(4)孤立系統的總熵可能增大，也可能減小．(×)二、能源和可持續發展[導學探究](1)流動的水帶動水磨做功，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，水流的一部分機械能轉變成了內能，這些內能最終流散到周圍的環境中，我們沒有辦法把這些流散的內能重新收集起來加以利用．可見，內能與機械能相比，哪種能量的品質低？(2)如圖2所示是兩幅宣傳節約能源的圖片．請問：既然能量是守恒的，我們為什么還要節約能源？圖2(3)化石能源的大量消耗會帶來哪些環境問題？答案(1)內能．(2)能量是守恒的，但能量耗散卻導致能量品質的降低，在利用它們的時候，高品質的能量釋放出來并最終轉化為低品質的能量．(3)溫室效應、酸雨、光化學煙霧等．[知識梳理]1．能量耗散和品質降低(1)能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉化為內能，流散到環境中無法重新收集起來加以利用的現象．(2)各種形式的能量向內能的轉化，是無序程度較小的狀態向無序程度較大的狀態的轉化，是能夠自動發生、全額發生的．(3)能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的自發變化過程具有方向性．(4)能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質的降低，它實際上是將能量從高度有用的高品質形式降級為不大可用的低品質形式．2．能源與環境(1)常規能源：人們把煤、石油、天然氣等化石能源叫做常規能源，人類消耗的能源主要是常規能源．(2)新能源：主要有太陽能、生物質能、風能、水能、核能等．(3)環境問題：化石能源的大量消耗帶來的環境問題有溫室效應、酸雨、光化學煙霧等．[即學即用]判斷下列說法的正誤．(1)能源是取之不盡、用之不竭的．(×)(2)能源是有限的，特別是常規能源，如煤、石油、天然氣等．(√)(3)大量消耗常規能源會使環境惡化，故提倡開發利用新能源．(√)(4)核能的利用對環境的影響比燃燒石油、煤炭大．(×)一、熱力學第二定律的微觀意義1．熱力學第二定律的微觀解釋(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)機械能轉化為內能的方向性：在通過做功使系統內能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運動狀態向無序運動狀態轉化的過程．2．熱力學第二定律的微觀意義熱力學第二定律揭示了涉及熱現象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發生，而不會可逆地在相反的方向上出現．它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發生，哪些不可能發生．3．對熵的四點理解(1)熵的微觀意義：熵是系統內分子熱運動無序性的量度．(2)熵是表示一個體系自由度的物理量．熵越大，表示在這個體系下的自由度越大，可能達到的狀態越多．(3)熵不是守恒的量，在孤立體系中經過一個不可逆過程，熵總是增加的．(4)熵的本質：熵是體系微觀混亂度的量度，混亂度越大，熵值也越大．例1(多選)關于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是()A．大量分子無規則的熱運動能夠自動轉變為有序運動B．熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態向無序運動狀態轉化的過程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向無序程度大的運動狀態轉化的過程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答案CD解析分子熱運動是大量分子的無規則運動，系統的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態，這是一個無序的運動，根據熵增加原理，熱運動的結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向無序程度大的運動狀態轉化的過程，故選C、D.(1)一切自發過程都是不可逆的，總是大量分子從有序運動狀態向無序運動狀態轉化發展的過程，即無序性增加的過程．(2)傳熱過程是大量分子由無序程度小的運動狀態轉化為無序程度大的運動狀態的過程，體現了熱傳遞的方向性．針對訓練1(多選)關于氣體向真空中擴散的規律的敘述中正確的是()A．氣體分子數越少，擴散到真空中的分子全部回到原狀態的可能性越大B．氣體分子數越多，擴散到真空中的分子全部回到原狀態的可能性越大C．擴散到真空中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態對應的微觀態數目越大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答案ACD解析氣體分子向真空中擴散時，分子數越少，分子全部分布于原狀態下即全部回到原狀態的概率越大；分子數越多，分子全部分布于原狀態下即全部回到原狀態的概率越小，則A正確，B錯誤．擴散到真空中的分子在整個容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態對應的微觀態最多，并且這一宏觀態的無序性最大，C、D正確．例2下列關于熵的說法中錯誤的是()A．熵是系統內分子運動無序性的量度B．在自然過程中一個孤立系統的熵總是增加或不變的C．熱力學第二定律也叫做熵減小原理D．熵值越大代表著越無序答案C解析一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義．系統的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統的熵值不會減小，因此熱力學第二定律又稱為熵增加原理．故A、B、D說法正確，C說法錯誤．二、能源和可持續發展1．能源開發和利用加強新能源，特別是清潔能源的開發和利用，控制化石能源開采，提高能源的利用率，降低對環境的污染．2．能源對環境的影響(1)常規能源對環境的影響：石油和煤燃燒產生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，產生了“溫室效應”，引發了一系列問題，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自然所產生的嚴重問題．(2)做好環境保護工作：目前的任務是采用能源新技術，解決突出的環境污染問題．例如，城市生活垃圾問題，變垃圾為能源；提高汽車發動機效率，解決尾氣問題，達到廢氣“零”排放；環境污染的綜合治理問題，解決廢物、廢水、廢氣等，變廢為寶．例3關于能源的開發和節約，你認為下列哪些觀點是錯誤的()A．常規能源是有限的，無節制地利用常規能源，如石油之類，是一種盲目的短期行為B．根據能量守恒定律，擔心能源枯竭是一種杞人憂天的表現C．能源的開發和利用，必須要同時考慮其對環境的影響D．通過核聚變和平利用核能是目前開發新能源的一種新途徑答案B解析能量雖然守恒，但能量耗散導致能量的品質降低即不可再利用，也往往對環境產生破壞，從而應開發新型的清潔型的能源，故B選項錯．能量與能源的區別1能量是守恒的，既不會增加也不會減少.2能源是可以提供可利用能量的物質.3能量耗散，能量總量不變，但能量品質會下降即能源減少，故我們要節約能源.針對訓練2(多選)下列對能量耗散理解正確的是()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答案BD解析在發生能量轉化的宏觀過程中，其他形式的能量最終轉化為流散到周圍環境的內能，無法再回收利用，這種現象叫能量耗散．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、C錯，B、D對.1．下列關于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是()A．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律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，一個孤立系統的總熵會減小答案A解析熱力學第二定律是一個統計規律，A對；從熱力學第二定律的微觀本質看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，B、C錯；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是熵增加的方向進行，故D錯．所以選A.2．(多選)對于孤立體系中發生的實際過程，下列說法中正確的是()A．系統的總熵可能增大或不變，不可能減小B．系統的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C．系統逐漸從比較有序的狀態向更無序的狀態發展D．系統逐漸從比較無序的狀態向更加有序的狀態發展答案AC解析在孤立體系中發生的實際過程，其系統的總熵不可能減小，故選項A正確，B錯誤．根據熵增加原理，該系統只能是從比較有序的狀態向更無序的狀態發展，故選項C正確，D錯誤．3．(多選)熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象．所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把流散的能量重新收集利用．下列關于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量仍守恒D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案CD解析能量耗散說明能量轉化的宏觀過程具有方向性，符合熱力學第二定律，B錯誤，D正確；能量耗散過程中，能量并沒有消失，能量仍然守恒，A錯誤，C正確．4．下列哪些現象屬于能量耗散()A．利用水流能發電變成電能B．電能通過燈泡中的電阻絲轉化為光能C．電池的化學能轉化為電能D．火爐把房子烤暖答案D解析能量耗散是指其他形式的能轉化為內能，最終流散在周圍環境中無法重新收集并加以利用的現象，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，如用光作為能源的手表等，只有當用電燈照明時的光能被墻壁吸收之后變為周圍環境的內能，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能轉化成內能并流散在周圍的環境中，無法重新收集并加以利用，才是能量耗散．故選D.一、選擇題1．已知一個系統的兩個宏觀態甲、乙及對應微觀態的個數分別為較少、較多，則下列關于對兩個宏觀態的描述及過程自發的可能方向的說法中正確的是()A．甲比較有序，乙比較無序，甲→乙B．甲比較無序，乙比較有序，甲→乙C．甲比較有序，乙比較無序，乙→甲D．甲比較無序，乙比較有序，乙→甲答案A解析一個宏觀態對應微觀態的多少標志了宏觀態的無序程度，從中還可以推知系統自發的方向，微觀態數目越多，表示越無序，一切自然過程總沿著無序性增大的方向進行，A對，B、C、D錯．2．作為新能源，從環保角度來看，氫氣具有的突出特點是()A．在自然界里存在氫氣B．氫氣輕，便于攜帶C．燃燒氫氣無污染D．氫氣燃燒發熱量高答案C3．(多選)對“覆水難收”的敘述正確的是()A．盛在盆中的水是一種宏觀態，因盆子的因素，對應的微觀態數目較少，較為有序B．盛在盆中的水是一種宏觀態，因盆子的因素，對應的微觀態數目較多，較為無序C．潑出的水是一種宏觀態，因不受器具的限制，對應的微觀態數目較多，較為無序D．潑出的水是一種宏觀態，因不受器具的限制，對應的微觀態數目較少，較為有序答案AC4．