热力学第二定律的微观解释

第5讲 热力学第二定律的微观解释第6讲能源和可持续发展目标定位1.了解有序和无序是相对的.2.知道宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系.3.知道嫡的概念，了解嫡增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述.4.能利用嫡增加原理认识自然界中能量转化的方向性.5.能从嫡增加的角度认识当前环境问题，增强环保意识和可持续发展意识.预习导学/梳理,识记点拨一、有序和无序宏观态和微观态1 .系统的宏观表现源干组成系统的微观粒子的统计规律.2 .有序与无序是相对的.3 . 一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较 无序的.二、热力学第二定律的微观意义1 .气体向真空的扩散气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的.2 .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.三、嫡1 .嫡的概念物理学中用字母 Q表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母 S表示嫡，则S= kln_ _Q式中k叫做玻耳兹曼常数.2 .嫡增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总嫡不会减小一这就是嫡增加原理，也 是热力学第二定律的另一种表述.四、能量耗散和品质降低1 .能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性.2 .有序性较高的能量转化为无序性更大的能量过程中存在能量耗散.在其转化过程中能量的品质降低.五、能源和环境席和常规能源：煤、立迪、天然气等环境问题：温室效应、 骏胆、光化学烟雾新能源：太阳能、生物质能、风能等h课堂讲义 J理解,深化探究一、热力学第二定律的微观意义1 .正确理解宏观态和微观态规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含 一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同. 如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的.2 .热力学第二定律的微观解释我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的宏观态.自发的过程总是 倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发 展的.例1下列说法中正确的是（）A.有序与无序是相对的B.对任何一件事物，如果规定得越多，限制越多，它的无序性就越大C.有序性越大，说明它对应的微观态数目就越多D.有序性越大，说明它对应的微观态数目就越少答案 AD例2】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答案 CD解析分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大 量的微观状态，这是一个无序的运动，根据嫡增加原理，热运动的结果只能使分 子热运动更加无序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量 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，故选C、D.借题发挥 解此类题目要理解好有序和无序，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的.无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有 序与无序是相对的，二、嫡增加原理1 .嫡较大的宏观状态就是无序性较大的宏观状态，在自发过程中嫡总是增 加的，即向无序性增加的方向进行.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 从嫡小的状态向嫡大的状态发展，而嫡值较大代表着较为无序，所以自发的宏观 过程总是向无序度更大的方向发展.例3下列关于嫡的观点中正确的是（）A.嫡越大，系统的无序度越大B.对于一个不可逆绝热过程，其嫡总不会减小C.气体向真空扩散时，嫡值减小D.自然过程中嫡总是增加的，是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 嫡是系统内分子运动无序性的量度，嫡越大，其无序度越大，选项A正确；一个不可逆绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其嫡会增加，不 会减小，选项B正确；气体向真空中扩散，无序度增大，嫡值增大，选项 C错 误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率大，因而通向无序的渠道多， 选项D正确.三、能源和可持续发展1 .能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会使能量的品质降低，所以需节 约能源.2 .常规能源，如：煤、石油、天然气对环境污染造成了较大影响，所以我 们要开发新能源，如太阳能、风能、核能、生物质能等，它们的特点是：污染少， 可再生、资源丰富.【例4下列对能量耗散理解正确的是（）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答案 BD解析在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终转化为流散到周 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，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它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，B、D对.h对点练习 金巩固应用反怫热力学第二定律的微观意义1 .下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述中正确的是 （）A.气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大8 .气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大C.扩散到真空容器中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微 观态数目越大D.气体向真空中扩散时，总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行答案 ACD解析 由热力学第二定律的微观解释 “一切自然过程总是沿着分子热运动 的无序性增大方向进行”和嫡的概念可知，A、C、D正确.嫡增加原理9 .关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是 （）A.系统的总嫡只能增大，不可能减小B.系统的总嫡可能增大，可能不变，还可能减小C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展答案AC解析在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增加的， 它不可能减小，故 A 正确、 B 错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C 正确、 D 错误能源开发与利用3下列哪些现象属于能量耗散()A 利用水流能发电变成电能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不能称为能量耗散 本题中的电能、 光能都可以重新收集并加以利用， 如用光作为能源的手表等， 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， 但本题没有告诉光能用来做什么， 故不能算能量耗散， 只有火炉把房子烤暖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，才是能量耗散故正确答案为 D.4关于“温室效应”，下列说法正确的是 ()A.太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了 “温室效应”B.石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”C. “温室效应”使得地面气温上升，两极冰雪熔化D. “温室效应”使得土壤酸化答案BC解析 “ 温室效应” 的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量 它的危害是使地面气温上升、 两极冰雪熔化、 海平面上升淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故正确答案为B、C.题组训练/解疑纠偏检测（时间：60分钟）题组一热力学第二定律的微观解释1 .已知一个系统的两个宏观态甲、乙，及对应微观态的个数分别为较少、 较多，则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是 （）A.甲比较有序，乙比较无序，甲一乙B.甲比较无序，乙比较有序，甲一乙C.甲比较有序，乙比较无序，乙一甲D.甲比较无序，乙比较有序，乙一甲答案 A解析 一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度， 从中还可以 推知系统自发的方向，微观态数目越多，表示越无序，一切自然过程总沿着无序 性增大的方向进行，A对，B、C、D错.2.下列说法中正确的是（）A. 一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的B . 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C. 一切与热现象有关的宏观过程都是可逆的D . 一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动有序程度增大的方向进行答案 AB3 .用隔板将一绝热容器隔成 A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体， B为真空（如图10 5、6-1甲所示），现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个 容器（如图乙所示），这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是 （）图 10 5、6-1A.自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动B.自由膨胀前后，气体的压强不变C.自由膨胀前后，气体的温度不变D.容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分答案 C解析 由分子动理论知，气体分子的热运动是永不停息地做无规则运动，故选项A错误；由能量守恒定律知，气体膨胀前后内能不变，又因一定质量理想 气体的内能只与温度有关，所以气体的温度不变，故选项C正确；由pV=常量，所以气体压强变小，故选项 B错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具 有方向性，在无外界影响的情况下，容器中的气体不能自发地全部回到容器的 A 部分，故选项D错误.4 .对“覆水难收”的叙述正确的是（）A.盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较少， 较为有序B.盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较多， 较为无序C.泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较多， 较为无序D.泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较少， 较为有序答案 AC题组二嫡增加原理5 .下列关于晶体熔化的说法中正确的是（）A.在晶体熔化的过程中，温度不变，分子热运动的平均速率不变，则无序 程度不变B.晶体熔化时，由分子的平衡位置在空间较为规则排列，变为分子的平衡 位置较为无序排列，则无序度增大C.在晶体熔化的过程中，嫡将保持不变D.在晶体熔化的过程中，嫡将增加答案 BD解析 在晶体熔化的过程中，分子的平衡位置由较有规则变为无规则， 无序 度增大，嫡将增加，故B、D对.6 .如图105、6 2所示，将一滴红墨水滴入一杯清水中，红墨水会逐渐 扩散到整杯水中，呈均匀分布状态，试说明这个过程中嫡的变化情况.红墨水的"散图 10 5、6-2答案 在这个过程中系统的嫡增加.扩散前，红墨水和清水区分分明，较有 序；后来，整杯水的颜色变得均匀后，打破了原来的有序分布，无序程度增大.因 此，扩散后系统的嫡增加.7 .关于嫡，下列说法中正确的是（）A.嫡值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高8 .嫡值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高C.嫡值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序D.嫡值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序答案 AD题组三 能源的开发与利用9 .下面关于能源的说法中正确的是（）A. 一切能源是取之不尽，用之不竭的8 .能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等C.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源D,核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大答案 BC解析 尽管能量守恒，但耗散的内能无法重新收集利用，所以能源是有限的， 特别是常规能源，A错、B对；常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大， C对、D错.9 .关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的 （）A.常规能源是有限的，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，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现C.能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响D .通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径答案B解析能量虽然守恒，但能量的耗散导致能量的品质降低及不可再利用， 也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B 选项错10作为新能源，从环保角度来看，氢气具有的突出特点是()A 在自然界里存在氢气B 氢气轻，便于携带C .燃烧氢气无污染D .氢气燃烧发热量高答案 C11为了减缓大气中CO2 浓度的增加，可以采取的措施有()A 禁止使用煤、石油和天然气B.开发利用核能、太阳能C.将汽车燃料由汽油改为液化石油气D.植树造林答案BD解析能源与环境是相互制约的，在目前能源比较短缺的情况下还不能禁止使用常规能源， A、 C 错， B 正确；通过植树造林，可以把太阳辐射到地球的能量转化为生物的能量储存起来，又能吸收大气中的 CO2,释放出。2, D正确.12煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量90%),把煤“吃干榨尽”.下列有关说法中正确的是()A.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化B.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化C.该技术实现了煤的清洁利用D.该技术实现了煤的高效利用答案ACD解析煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化，又有化学变化，A 正确；该技术使煤得以良好利用又环保， C、 D 正确，故选 ACD.13 CO2 气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加， 能使地表温度因受太阳辐射而上升； 另外， 它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用， 阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放， 使整个地球就像一个大温室一样因此，大气中CO2 浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖(1)这种大气中以CO2 为主的气体产生的效应称为()A 光热效应B 光电效应C.光气效应D.温室效应(2)导致大气中CO2 浓度增加的主要原因是()A 大量植物和生物物种灭绝B.大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧C.人口剧增，呼出的二氧化碳增多D.自然因素破坏了地球环境生态平衡答案 (1)D (2)B解析 大气中 CO2 浓度的增加，导致了温室效应；为了缓解这种局面，一方面要尽量少使用煤、 石油等常规能源， 另一方面要开发利用新能源， 并植树造林，改善环境