《山东省专用2018_2019学年高中物理第十章热力学定律第56节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展讲义含解析新人教版选修3_3.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《山东省专用2018_2019学年高中物理第十章热力学定律第56节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展讲义含解析新人教版选修3_3.pdf（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第 5、6 节热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展第 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
2、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Skln ，k叫做玻耳兹曼常量，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
3、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。(
4、) (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
5、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
6、(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多选下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )
7、 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。 2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
8、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 一次能源 自然形成，未经加 工 太阳能、 风能、 地热能、 核能、 潮汐能按形成或转换
9、特点 分 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 常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气 按利用技术分 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 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 按可否再生分 不可再生能源 短期内无法转换获 得 煤、石油、天然气、核燃料 清洁能源 对环境基本上没有 污染 太阳能、海洋能、风能、水 能 按对环境污染情况 分 污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、 石油、 天然气) 1关于能量和能源，下列说法正确的是( ) A在能源利用的过程中，能量在
10、数量上并未减少 B由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源 C能量耗散说明能量在转化过程中不断减少 D人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 解析：选 A 根据能量守恒定律可知，在能源使用过程中，能量在数量上并未减少，故 A 正确、C 错误；虽然总能量不会减小，但是由于能量的品质降低，无法再应用，故还需要节约 能源，故 B 错误；根据能量守恒可知，能量不会被创造，也不会被消灭，故 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
11、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
12、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。 2PM2.5 主要来自化石燃料、生
13、物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高 效利用能源。关于能源和能量，下列说法中正确的是( ) A自然界中的石油、煤炭等能源可供人类永久使用 B人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源 C能量被使用后就消灭了，所以要节约能源 D能量耗散说明自然界的能量在不断减少 解析 ： 选 B 煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但不能短期内从自然界得到补充， 是不可再生能源，选项 A 错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生能源且为清洁能源， 应该尽量开发与利用，选项 B 正确；能量虽然守恒，但有些能量使用以后不可能再被利用， 所以要节约能源，但能量是不会减少的，也不会被消灭掉，只是形式发生转变，
14、选项 C、D 错 误。 3 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。 4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
15、、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。 5多选下列关于熵的说法中正确的是( ) A熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散” ，无序程度越高 B熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散” ，无序程度越高 C熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中” ，也就是越有序 D熵值越小，意味着系统
16、越“整齐”和“集中” ，也就是越有序 解析：选 AD 根据熵的意义可知，熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散” ，无序程 度越高。熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中” ，也就是越有序，选项 A、D 正确。 6.质量一定的某种物质，在压强不变的条件下，由液体与气态(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成不变。 (1)以下说法正确的是_。 A在区间，物质的内能不变 B在区间，分子间的势能不变 C从区间到区间，物质的熵增加 D在区间，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， 若将压强不变的条件改为体积不变， 则温度
17、升高_(选填 “变快” “变 慢”或“快慢不变”)，请说明理由。 解析：(1)区间是汽化过程，要吸收热量，内能增加，A 错误；区间看成理想气体， 无分子势能，B 正确；从区间到区间是不可逆过程，分子无序性增加，熵增加，C 正确； 在区间，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 UQW，理想气体的状态方程C可知，在吸收相同的热 pV T 量 Q 时，压强不变的条件下，V增加，W0，U1Q|W|； 体积不变的条件下，W0，U2Q； 所以 U1U2，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 7瀑布从 20 m 高处以 103 m3/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/s2) 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 mv2 1 2 转化为电能的功率为 P E t (mgh 1 2mv 2) 0.8 t 0.8 m t(gh v2 2) 1031030.8 W (10 20 1 2 22) 1.58108 W1.58105 kW。 答案：1.58105 kW