PAGE7-第5、6節(jié)熱力學(xué)其次定律的微觀說明能源和可持續(xù)發(fā)展1.熱力學(xué)其次定律的微觀意義：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。2．熱力學(xué)其次定律可叫做熵增加原理：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。3．能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的削減，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，事實(shí)上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降低為不大可用的低品質(zhì)形式。一、熱力學(xué)其次定律的微觀說明1．有序、無序一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種規(guī)則，有依次地排列即有序；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)其次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進(jìn)行。4．熵及熵增加原理(1)熵：表達(dá)式S＝klnΩ，k叫做玻耳茲曼常量，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。(2)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)減小。二、能源和可持續(xù)發(fā)展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，成為更加分散因而也是無序度更大的能量，分散到環(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)能轉(zhuǎn)化方向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)改變過程具有方向性。(4)能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的削減，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，事實(shí)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．能源和環(huán)境1．自主思索——判一判(1)熵越小，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越少。(√)(2)在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)增加。(×)(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)。(×)(4)能量耗散會(huì)導(dǎo)致總能量的削減，也會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低。(×)(5)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。(√)(6)既然能量是守恒的，那么人類就沒必要節(jié)約能源。(×)2．合作探究——議一議(1)怎樣理解一個(gè)孤立的系統(tǒng)熵不會(huì)減??？提示：從微觀的角度看，熱力學(xué)其次定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律；自發(fā)的宏觀過程總是向無序性更大的方向發(fā)展。而熵較大代表著較為無序，熵小代表有序，所以一個(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。(2)既然能量守恒，為什么還要節(jié)約能源？提示：人們?cè)谶\(yùn)用能源的時(shí)候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。雖然能量不會(huì)削減，但能源會(huì)越來越少，所以要節(jié)約能源。(3)流淌的水帶動(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上升，水流的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到四周的空氣中，我們沒有方法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。請(qǐng)思索：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)使能量削減，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它事實(shí)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。熱力學(xué)其次定律的微觀意義1．熱力學(xué)其次定律的微觀意義熱力學(xué)其次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，哪些不行能發(fā)生。自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不行逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時(shí)間的方向性。所以，“熵”又經(jīng)常被稱為“時(shí)間箭頭”。2．熵和熵增加原理的理解(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動(dòng)能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個(gè)系統(tǒng)的熵越大。(2)系統(tǒng)自發(fā)改變時(shí)，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會(huì)削減。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)改變時(shí)，總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)改變時(shí)，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會(huì)使熵減小。(3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有肯定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的改變過程中產(chǎn)生或傳遞。1．[多選]下面關(guān)于熱力學(xué)其次定律微觀意義的說法正確的是()A．從微觀的角度看，熱力學(xué)其次定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B．一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行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．在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小解析：選AD從熱力學(xué)其次定律的微觀本質(zhì)看，一切不行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，我們知道熱力學(xué)其次定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故A對(duì)，B、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，也就是朝著熵增加的方向進(jìn)行，故D對(duì)。2．下列說法中正確的是()A．無摩擦、無漏氣等能量損失，就能使熱機(jī)效率達(dá)到100%B．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C．一切物理過程都具有方向性D．由熱力學(xué)定律可推斷出某個(gè)物理過程是否能自發(fā)進(jìn)行解析：選D對(duì)任何熱機(jī)在工作時(shí)都不行避開地要向冷凝器的四周環(huán)境散發(fā)熱量，總有能量的損失，因此其效率無法達(dá)到100%；熱量能從低溫物體傳到高溫物體，但必需有外界的幫助；一切涉及熱現(xiàn)象的物量過程都具有方向性；在熱力學(xué)定律的基礎(chǔ)上可以導(dǎo)出其他過程的方向性，如氣體的擴(kuò)散、氣體向真空的膨脹等。能源開發(fā)和利用及能源的分類1．能源開發(fā)和利用的關(guān)系圖2．能源的分類能源分類方法能源分類名稱特點(diǎn)舉例按形成或轉(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)崮堋⒑四堋⒊毕芏文茉从梢淮文茉唇?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)模正常運(yùn)用煤、石油、自然氣新能源正在開發(fā)，或有新的利用方式太陽能、水能、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)運(yùn)用、不斷補(bǔ)充水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮懿恍性偕茉炊唐趦?nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得煤、石油、自然氣、核燃料按對(duì)環(huán)境污染狀況分清潔能源對(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)峻污染環(huán)境化石燃料(煤、石油、自然氣)1．關(guān)于能量和能源，下列說法正確的是()A．在能源利用的過程中，能量在數(shù)量上并未削減B．由于自然界中總的能量守恒，所以不須要節(jié)約能源C．能量耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中不斷削減D．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)建解析：選A依據(jù)能量守恒定律可知，在能源運(yùn)用過程中，能量在數(shù)量上并未削減，故A正確、C錯(cuò)誤；雖然總能量不會(huì)減小，但是由于能量的品質(zhì)降低，無法再應(yīng)用，故還須要節(jié)約能源，故B錯(cuò)誤；依據(jù)能量守恒可知，能量不會(huì)被創(chuàng)建，也不會(huì)被殲滅，故D錯(cuò)誤。2．關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點(diǎn)錯(cuò)誤的是()A．無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為B．依據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．能源的開發(fā)和利用，必需同時(shí)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的愛護(hù)D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機(jī)的主要途徑解析：選B能源是有限的，必需合理利用能源，A正確；盡管能量守恒，但運(yùn)用過程中會(huì)有能量耗散及品質(zhì)降低，B錯(cuò)誤；能源利用推動(dòng)人類進(jìn)步的同時(shí)會(huì)破壞人類生存的環(huán)境，必需加強(qiáng)愛護(hù)，C正確；開發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足，D正確。3．[多選]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削減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，但可以憑空消逝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解析：選BD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)化為流散到四周環(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，宇宙的能量既沒有削減，也沒有消逝，它只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(cuò)誤，B、D正確。1．[多選]關(guān)于有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)，下列說法正確的是()A．有序和無序是肯定的B．一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)著很多的“微觀態(tài)”C．一個(gè)“宏觀態(tài)”只能對(duì)應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別解析：選BD因?yàn)闊o序是各處都一樣、平均、沒有差別，故D項(xiàng)正確；而有序和無序是相對(duì)的，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；而一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)“微觀態(tài)”，所以B項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤。2．PM2.5主要來自化石燃料、生物質(zhì)、垃圾的焚燒，為了限制污染，要求我們節(jié)約及高效利用能源。關(guān)于能源和能量，下列說法中正確的是()A．自然界中的石油、煤炭等能源可供人類永久運(yùn)用B．人類應(yīng)多開發(fā)與利用太陽能、風(fēng)能等新能源C．能量被運(yùn)用后就殲滅了，所以要節(jié)約能源D．能量耗散說明自然界的能量在不斷削減解析：選B煤、石油雖然是當(dāng)今人類利用的主要能源，但不能短期內(nèi)從自然界得到補(bǔ)充，是不行再生能源，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；太陽能和風(fēng)能，包括水能等都是可再生能源且為清潔能源，應(yīng)當(dāng)盡量開發(fā)與利用，選項(xiàng)B正確；能量雖然守恒，但有些能量運(yùn)用以后不行能再被利用，所以要節(jié)約能源，但能量是不會(huì)削減的，也不會(huì)被殲滅掉，只是形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。3．若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法正確的是()A．氣體分子間的作用力增大B．氣體分子的平均速率增大C．氣體分子的平均動(dòng)能減小D．氣體組成的系統(tǒng)的熵增加解析：選D氣體分子之間的距離很遠(yuǎn)，分子間的作用力可以認(rèn)為為零，A項(xiàng)錯(cuò)誤；由于溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)記，溫度不變，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能就不變，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率就不變，B、C項(xiàng)錯(cuò)誤；自發(fā)的自然過程中，熵值是增加的，D項(xiàng)正確。4．[多選]熱現(xiàn)象過程中不行避開地出現(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、重新加以利用。下列關(guān)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(xué)其次定律C．能量耗散過程中能量仍守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性解析：選CD能量耗散過程能量仍守恒，但可利用的能源越來越少，這說明自然界中的宏觀過程具有方向性，恰恰說明符合熱力學(xué)其次定律，故C、D對(duì)。5．[多選]下列關(guān)于熵的說法中正確的是()A．熵值越大，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高B．熵值越小，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高C．熵值越大，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序D．熵值越小，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序解析：選AD依據(jù)熵的意義可知，熵值越大，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高。熵值越小，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序，選項(xiàng)A、D正確。6.質(zhì)量肯定的某種物質(zhì)，在壓強(qiáng)不變的條件下，由液體Ⅰ與氣態(tài)Ⅲ(可看成志向氣體)改變過程中溫度(T)隨加熱時(shí)間(t)改變關(guān)系如圖所示。單位時(shí)間所汲取的熱量可看成不變。(1)以下說法正確的是________。A．在區(qū)間Ⅱ，物質(zhì)的內(nèi)能不變B．在區(qū)間Ⅲ，分子間的勢(shì)能不變C．從區(qū)間Ⅰ到區(qū)間Ⅲ，物質(zhì)的熵增加D．在區(qū)間Ⅰ，物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能隨著時(shí)間的增加而增大(2)在區(qū)間Ⅲ，若將壓強(qiáng)不變的條件改為體積不變，則溫度上升________(選填“變快”“變慢”或“快慢不變”)，請(qǐng)說明理由。解析：(1)區(qū)間Ⅱ是汽化過程，要汲取熱量，內(nèi)能增加，A錯(cuò)誤；區(qū)間Ⅲ看成志向氣體，無分子勢(shì)能，B正確；從區(qū)間Ⅰ到區(qū)間Ⅲ是不行逆過程，分子無序性增加，熵增加，C正確；在區(qū)間Ⅰ，隨時(shí)間增加，物質(zhì)溫度上升，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大，D正確。(2)依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W，志向氣體的狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C可知，在汲取相同的熱量Q時(shí)，壓強(qiáng)不變的條件下，V增加，W＜0，ΔU1＝Q－|W|；體積不變的條件下，W＝0，ΔU2＝Q；所以ΔU1＜ΔU2，體積不變的條件下溫度上升變快。答案：(1)BCD(2)變快理由見解析7．瀑布從20m高處以103m3/s的流量豎直落下，流進(jìn)底部的水輪機(jī)后再以2m/s的速度流出，水輪機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。假如水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率是80%，那么發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率有多大？(瀑布在山頂?shù)乃俣瓤珊鲆暡挥?jì)，g取10m/s2)解析：設(shè)t時(shí)間內(nèi)流下的水的質(zhì)量為m，以m為探討對(duì)象，