第十章第5节第6节.docx
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第十章第5节第6节
第5节 热力学第二定律的微观解释
第6节 能源和可持续发展
1．了解有序和无序概念，知道有序和无序是相对的，了解宏观态和微观态的概念。
2．知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系，知道热力学第二定律的微观解释。
3．知道熵的概念，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述。
4．了解什么是能量耗散和品质降低，了解能源与人类社会发展和环境的关系。
一、热力学第二定律的微观解释
1．有序和无序、宏观态和微观态
（1）有序：
一个系统的个体按确定的
方向有顺序的排列。
（2）无序：
一个系统的个体分布没有确定的要求，分布是
随意的，称为无序。
（3）宏观态：
一个
系统整体所处的状态叫做宏观态。
（4）微观态：
宏观态系统内对应的不同分布状态就叫做微观态。
2．气体向真空的扩散
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。
3．熵
（1）定义式：
S＝klnΩ，式中S表示熵，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示微观态的数目。
（2）意义：
表示系统内分子运动无序性的
量度。
（3）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
无序性更大的能量，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
（2）各种形式的能量向
内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态转化，是能够
自动发生、
全额发生的。
（3）能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的
降低。
2．能源与环境
（1）人们把
煤、
石油、
天然气等化石能源叫做常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源。
（2）化石能源的储藏是
有限的。
（3）环境问题
化石能源的大量消耗带来的环境问题有
温室效应、
酸雨、
气候异常等。
3．新能源的开发和利用
（1）化石能源的短缺和利用常规能源带来的
环境污染，使得新能源的开发成为当务之急。
（2）新能源主要有下列几种：
①
太阳能；②
生物质能；③
风能；④
水能（河流、潮汐）。
太阳能、
风能、
水能是清洁能源。
判一判
（1）在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会增大。
（ ）
（2）能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的保护。
（ ）
（3）根据能量守恒，能源应该是取之不尽，用之不竭的。
（ ）
（4）一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。
（ ）
提示：
（1）×
（2）√ （3）× （4）×
课堂任务
对有序和无序、宏观态和微观态的理解
1．有序和无序
确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序。
2．宏观态和微观态
当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描述的系统状态叫热力学系统的宏观态；如果使用分子数分布并且区别具体的分子来描述的系统状态叫热力学系统的微观态。
例1 （多选）以一副扑克牌为例，下列关于有序和无序、宏观态和微观态的认识中不正确的是（ ）
A．按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时是有序的
B．将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克牌是无序的，每部分内部是有序的
C．一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗动一次就是一个微观态
D．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微观态
E．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入到奇数部分，它是该宏观态对应的一个微观态
[规范解答] 系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，一副扑克牌对应一个宏观态，若扑克牌的排列是规则的，则对应的微观态是有序的，反之，是无序的。
A中扑克牌的排列是有确定规则的，是有序的，A正确。
B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规则的，是无序的，B不正确。
一副扑克牌是一个系统，是一个宏观态，洗动一次，系统内部排列不同，是这副扑克牌宏观态对应的一个微观态，C正确。
将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统，是一个宏观态，同时，它又是一副扑克的一种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态，D正确。
从偶数部分中抽出一张插入奇数部分中，不再对应于按奇偶分成两部分的扑克牌这一宏观态，也不再是该宏观态对应的一个微观态，可以看做是一副扑克牌这一宏观态对应的微观态，E错误。
[完美答案] BE
一锅开水投入了5个糖馅的甜汤圆，随后又投入了5个肉馅的咸汤圆，甜、咸汤圆在沸水中翻滚，象征着封闭系统进入了一个自发的过程。
随后，用两只碗各盛了5个汤圆，每碗汤圆中共有六种可能：
①全是甜的，②全是咸的，③1甜4咸，④4甜1咸，这是四种不平衡的宏观态，⑤2甜3咸，⑥3甜2咸，这是两种相对平衡的宏观态。
两只碗各盛5个汤圆共有32种组合方式，我们称为32个微观态。
试问：
（1）以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？
请设计一个图表来表示；
（2）以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少？
答案
（1）见解析
（2）
解析
（1）宏观态对应的微观态个数。
宏观态
全是甜的
全是咸的
1甜4咸
4甜1咸
2甜3咸
3甜2咸
微观态个数
1
1
5
5
10
10
（2）相对平衡的宏观态出现的概率为：
P＝
＝
。
课堂任务
热力学第二定律的微观意义
对熵及熵增加原理的理解
（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小。
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，不会使熵减少。
（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。
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，而熵值较大代表着较多无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
例2 （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
[规范解答] 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，其传递过程不能自发进行，故C、D正确。
[完美答案] CD
从分子热运动的角度解释热传递的方向性
两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，总体上看，分子热运动的分布较为无序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变的分散，分子热运动的分布较为无序。
由于一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，所以热传递中能量是由高温物体传向低温物体的，热传递具有方向性。
（多选）从微观角度看（ ）
A．热力学第二定律是一个统计规律
B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展
C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大
D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大
答案 ACD
解析 由熵增加原理“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”可知B错误，A、C、D正确。
课堂任务
能源的开发和利用
1．能量耗散
（1）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。
（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，它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。
2．能源的分类
例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
[规范解答] 能量转化过程中总能量守恒，但散失在空气中的内能不可能收集起来用来做功。
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。
[完美答案] BD
对能量耗散的理解
（1）能量耗散是能量从高品质能源向低品质能源转化和转移的过程。
（2）能量耗散是指能量的可利用程度降低。
下列现象属于能量耗散的是（ ）
A．利用水流能发电转化为电能
B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能
C．电池的化学能转化为电能
D．火炉把房子烤暖
答案 D
解析 能量耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的能不能称能量耗散。
本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等，只有当用电灯照明时的光能被墙壁吸收之后变为周围环境的内能，才无法重新吸收并加以利用，但本题没有告诉这光能用来做什么，故不能算能量耗散，只有火炉把房子烤热后使燃料的化学能转化成内能并流散在周围的环境中，无法重新收集，并加以利用，才是能量耗散。
故D正确。
A组：
合格性水平训练
1．（对有序和无序、宏观态和微观态的理解）（多选）下列过程中不可逆的是（ ）
A．锤子打铁，铁发热
B．传热的容器内盛有液体，容器放在恒温的大水池内，不停地搅动液体，可保持温度不变
C．在一绝热容器内，不同温度的液体混合
D．在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合
答案 ABCD
解析 功变热是不可逆过程，故A符合题意。
B中过程既有功变热，又有热传导，是不可逆过程，故B符合题意。
C中液体扩散是不可逆过程，故C符合题意。
D中具有一定温度的热传导也是不可逆的，故D也符合题意。
2．（熵）在一定速度下发生变化的孤立系统，其总熵的变化情况是（ ）
A．不变B．可能增大或减小
C．总是增大D．总是减小
答案 C
解析 一切孤立系统总向着总熵增大的方向发展。
（1）由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态。
在自然过程中熵总是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多，把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多。
（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．（熵）（多选）下列关于熵的观点中正确的是（ ）
A．熵越大，系统的无序程度越大
B．对于一个不可逆绝热过程，其熵不会减小
C．气体向真空中扩散时，熵值减小
D．自然过程中熵总是增加，因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
答案 ABD
解析 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序程度越大，A正确。
不可逆绝热过程，其宏观态对应微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，B正确。
气体向真空中扩散，无序程度增大，熵值增大，C错误。
自然过程中，无序程度较大的宏观态出现概率较大，因而通向无序的渠道多，D正确。
4．（能源的开发和利用）（多选）关于能源的利用，下列说法中正确的是（ ）
A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以太阳能的开发在我国并不十分重要
B．能源的利用过程，实质上是能的转化和传递的过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
答案 BCD
解析 目前人类使用的能源主要的仍是煤、石油和天然气。
燃料燃烧时，化学能转化为内能，内能又可转化成机械能和电能。
人类在生产和生活中需要各种形式的能，我们可以根据需要把能源的能量转化成各种形式的能，以供利用。
所以，能源的利用过程实质上是能的转化和传递的过程。
我国的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，且利用后不能再生，终有用完的日子，所以开发和利用新能源，特别是核能和太阳能，是解决能源问题的出路。
因此在这四个说法中，错误的是A，B、C、D正确。
5．（能源的开发和利用）关于开发能源和节约能源，你认为以下观点错误的是（ ）
A．能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现
C．能源的开发利用，必须同时考虑对环境的影响
D．利用核能是目前开发新能源的一种有效的途径
答案 B
解析 能量虽然守恒，但在利用其过程中，其形式在不断向低品质转化，可见能源是有限的。
在利用能源的同时，还应注意保持与环境的平衡，应选B。
6．（能量耗散）热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象。
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，只是能量的转化有方向性
D．待科技发达到一定程度时可消除能量耗散现象，实现第二类永动机
答案 C
解析 能量耗散仍遵守能量守恒定律，反映了自然界宏观过程具有方向性，无法消除，应选C。
7．（熵）热力学第二定律的开尔文表述指出：
内能与机械能的转化具有方向性。
请结合熵的变化加以解释。
答案 见解析
解析 机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化，物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律所反映的因果关系，这是一种有序的运动。
热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一种无序的运动。
机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会导致熵的增加，符合热力学规律，因此机械能可以全部转化为内能。
反之，热运动向机械运动的转化属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此内能向机械能的转化不能全部实现。
B组：
等级性水平训练
8．（对有序和无序、宏观态和微观态的理解）如图所示，气体自由膨胀的不可逆性可以用概率来说明，a、b、c三个分子在A、B两室的分配情况如下表：
A室
abc
ab
bc
ac
c
a
b
0
B室
0
c
a
b
ab
bc
ca
abc
则：
（1）a分子出现在A室的概率为________。
（2）a、b、c三分子全部回到A室的概率为________。
（3）若有N个分子，则N个分子全部自动回到A室的概率为________。
答案
（1）
（2）
（3）
解析 a分子在自由运动后，在A室、B室的概率分别为
，b分子在A室、B室的概率分别为
，c分子在A室、B室的概率分别为
，则a、b、c三分子都在A室的概率为
×
×
＝
。
假设有N个分子，则全部在A室的概率为
。
9.（综合）质量一定的某种物质，在压强不变的条件下，由液态Ⅰ到气态Ⅲ（可看成理想气体）变化过程中温度（T）随加热时间（t）变化关系如图所示。
单位时间所吸收的热量可看作不变。
（1）（多选）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________（填“变快”“变慢”或“快慢不变”）。
请说明理由。
答案
（1）BCD
（2）变快
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W和理想气体的状态方程
＝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，ΔU1＝Q－|W|；
体积不变的条件下，W＝0，ΔU2＝Q；
所以ΔU1<ΔU2，体积不变的情况下温度升高变快。
解析
（1）物质的内能是分子总动能与分子总势能之和，在区间Ⅱ，温度不变，分子平均动能不变，吸收的热量用来增加分子间势能，物质的内能增大，A错误；理想气体分子间作用力为零，不考虑分子势能，B正确；从区间Ⅰ到区间Ⅲ，分子无规则运动加剧，熵增加，C正确；温度是分子平均动能的标志，D正确。
（2）根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W和理想气体的状态方程
＝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，ΔU1＝Q－|W|；
体积不变的条件下，W＝0，ΔU2＝Q；
所以ΔU1<ΔU2，体积不变的情况下温度升高变快。
10．（熵）成语“覆水难收”指一盆水泼出后是不可能再回到盆中的。
请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中？
答案 见解析
解析 由于盆的形状确定，水在盆中时，空间位置和所占据的空间体积一定，显得“有序”“整齐”和“集中”，系统的熵低。
当把水泼出后，它的形状不再受盆的限制，各种可能的形状都有，占据的空间体积和所处的位置都有多种可能。
显得“无序”“混乱”“分散”。
系统的熵高。
水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程。
导致熵的增加，符合熵增加原理。
反之，水聚到盆中的过程，属于从无序向有序的转化。
即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理。
因此水不能自发地聚到盆中。
11．（综合）能源问题是当前的热门话题，传统的能源——煤和石油，一方面储量有限，有朝一日将要被开采完毕，另一方面，使用过程中也带来了污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即是一例。
关于潮汐，古人说：
“潮者，据朝来也；汐者，言夕至也。
”如图是利用潮汐发电的示意图，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机，涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道（如图甲）；潮退至最低点时放水发电（如图乙）；待内外水面高度相同；再堵住通道，直至下次涨潮至最高点，又放水发电（如图丙）。
设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差3.0m，则一天内水流的平均功率为________MW。
（注：
实际上由于各种损失，发电功率仅为水流的平均功率的10%～25%，例如法国兰斯河潮汐发电站水势能释放平均功率240MW，而发电功率仅为62MW）
答案 100
解析 潮汐发电其实就是将海水的重力势能转化为电能。
每次涨潮时流进海湾（落潮时流出海湾）的海水的重力为
Mg＝ρVg＝1.0×103×5.0×107×3×10N＝1.5×1012N，其重心的高度变化为：
h＝1.5m，
一天内海水两进两出，故水流功率为：
P＝
＝
W≈1.0×108W，即P≈100MW。
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