第10章 5 热力学第二定律的微观解释 6 能源和可持续发展-2021-2022学年高中物理选修3-3【名师导航】同步Word教参(人教版)

5　热力学第二定律的微观解释 6　能源和可持续发展 [学习目标]　1.知道有序和无序，宏观态和微观态的概念．(重点)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意义．(重点)3.掌握熵的概念，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述．(难点)4.知道什么是能量耗散和品质降低．了解能源与人类社会、环境的关系．(难点) 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 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行． 4．熵 表达式S＝kln Ω，k表示玻耳兹曼常量，Ω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． 5．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，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的转化，是能够自动发生、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，它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．能源与环境 (1)常规能源：人们把煤、石油、天然气等化石能源叫作常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源． (2)新能源：主要有太阳能、生物质能、风能、水能、核能等． (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、光化学烟雾等． 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)熵越小，系统对应的微观态就越少． (√) (2)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． (√) (3)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动． (×) (4)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的． (×) (5)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低． (×) 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．热传递的自发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．热传递的自发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．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 E．从微观的角度看，热力第二定律是一个统计定律 CDE　[热力学第二定律的微观意义明确指出：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以选项C、D正确；热力学第二定律是一个统计规律，故E正确．] 3．(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、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 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，恰恰符合热力学第二定律，故C、D对．] 热力学第二定律的微观解释 1．热力学第二定律的微观解释 (1)热传递过程：从宏观上看，热量自发地从高温物体传到低温物体；从微观角度看，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢，低温物体中的分子运动加快，到温度相同时，两个物体分子的平均动能相同，热传导这个不可逆过程使分子热运动的无序程度增加了． (2)功转变为热：从宏观上看是机械能或其他形式的能量转化为内能的过程；从微观上看，机械运动中大量分子主要都沿同一方向运动，转变为热运动，分子杂乱无章地向各个方向运动，因此是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程． (3)热力学第二定律的微观本质：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． 2．熵 (1)熵的概念：物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：S＝k·ln Ω，式中k叫作玻耳兹曼常数． (2)熵是状态量：熵是热力学中一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，常用S表示．熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度．熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序；熵值