熱力學(xué)第二定律的微觀解釋能源和可持續(xù)發(fā)展.ppt

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5.6.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 能源和可持續(xù)發(fā)展,一、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 1．有序和無序 宏觀態(tài)和微觀態(tài) (1)有序：一個系統(tǒng)的個體按某種確定的 ，有順序地排列稱為有序． (2)無序：一個系統(tǒng)的個體分布沒有確定的 ，分布是隨意的，稱為無序． (3)宏觀態(tài)：一個系統(tǒng)整體所處的狀態(tài)就叫做宏觀態(tài)． (4)微觀態(tài)：宏觀態(tài)系統(tǒng)內(nèi) 的不同分布狀態(tài)就叫做微觀態(tài)．,規(guī)則,規(guī)則,對應(yīng),2．氣體向真空的擴(kuò)散 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的 增大的方向進(jìn)行． 3．熵 (1)定義式：S＝klnΩ，式中S表示熵，k表示 ，Ω表示微觀態(tài)的 ． (2)意義：表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動 的量度． (3)熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會 ．,無序性,玻耳茲曼,常量,數(shù)目,無序性,減小,二、能源和可持續(xù)發(fā)展 1．能量耗散與品質(zhì)降低 (1)能量耗散 ①能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為 ，流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象． ②能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有 ．,內(nèi)能,方向性,(2)能量品質(zhì)降低 ①各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是微觀領(lǐng)域內(nèi)由無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的． ②內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程，由熱力學(xué)第二定律知道，這種轉(zhuǎn)化是有條件的，即環(huán)境中必須存在著溫度差，而且內(nèi)能不能全額轉(zhuǎn)化為機(jī)械能． ③因此，從可被利用的價值來看，內(nèi)能相對于機(jī)械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量．,2．能源與人類社會發(fā)展 (1)能源是社會存在與發(fā)展永遠(yuǎn)不可或缺的必需品，是國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會的三大支柱． (2)能源科技的每一次突破，都帶來了生產(chǎn)力的巨大飛躍和社會的進(jìn)步． 3．能源與環(huán)境 能源種類：煤、 、天然氣等常規(guī)能源 環(huán)境問題：溫室效應(yīng)、 、光化學(xué)煙霧,石油,酸雨,4．開發(fā)新能源 (1)化石能源的短缺和利用常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染，使得新能源的開發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急． (2)新能源主要有下列幾種： ①太陽能 ② . ③風(fēng)能 ④水(河流、潮汐)能 太陽能、風(fēng)能、水能是清潔能源,生物質(zhì)能,一、熱力學(xué)第二定律的微觀意義的理解 1．有序、無序的含義 “無序”意味著各處一樣、平均、沒有差別，而有序則正好相 反． 2．熵的含義 “有序”和“無序”是相對而言的，是從有序程度上講的，熵是宏觀態(tài)無序程度的量度，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，即越無序，熵越低即越有序．,3．熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動，但是高溫物體中分子熱運(yùn)動的平均速率要大于低溫物體．所以在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過程中，低溫物體分子運(yùn)動的劇烈程度會逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了．而高溫物體分子運(yùn)動的劇烈程度會減緩，即高溫物體的溫度降低了．所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體．換一種角度看，初始我們根據(jù)溫度的高低來區(qū)分兩個物體，而終了狀態(tài)兩個物體上的溫度處處相同，無法區(qū)別，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了．,同理可知，在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運(yùn)動狀態(tài)向無序運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程．,4．熱力學(xué)第二定律的微觀意義 第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀的自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會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，哪些不可能發(fā)生．自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性．所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”．,關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說法正確的是( ) A．大量分子無規(guī)則的熱運(yùn)動能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動 B．熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運(yùn)動狀態(tài)向無序運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 C．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運(yùn)動狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 D．一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行,解析： 分子熱運(yùn)動是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動，系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個無序的運(yùn)動，根據(jù)熵增加原理，熱運(yùn)動的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動更加無序，而不是變成了有序，熱傳遞的自然過程從微觀上講就是大量分子從無序程度小的運(yùn)動狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，故選C、D. 答案： CD,二、能源的分類與應(yīng)用,【特別提醒】 大量能量的使用不會使能的總量減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，將能量從高度有用的形式降為不大可用的形式，所以要節(jié)約能源．,以下說法正確的是( ) A．煤、石油、天然氣等燃料的最初來源可追溯到太陽能 B．汽油是一種清潔能源 C．水能是可再生能源 D．煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的,解析： 煤、石油、天然氣等是動植物轉(zhuǎn)化成的，其來源可追溯到太陽能，A對；汽油燃燒會引起一些化合物的產(chǎn)生，導(dǎo)致有毒氣體的生成，B錯；水源是可再生能源，C對；煤、石油等存量是有限的，是不可再生能源，D錯． 答案： AC,◎ 教材資料分析 〔思考與討論〕——教材P67 下面這些過程中，能量的“歸宿”在哪里？ 流水帶動水磨做功，什么能轉(zhuǎn)化成了什么能？流水的機(jī)械能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？傳說中，三國時代的猛張飛站在當(dāng)陽橋前一聲吼，“喝斷了橋梁水倒流”，吼過之后靜下來，他的聲能最終轉(zhuǎn)化為什么能？ 日光燈把教室照得如同白晝，關(guān)燈后滿屋漆黑．原先的光能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？,把電爐接入電路，電能表轉(zhuǎn)得飛快，表明消耗著電能．這些電能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？ 燃燒過程中燃料的化學(xué)能要釋放出來．這些化學(xué)能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？ 【點撥】 流水帶動水磨做功，水的動能轉(zhuǎn)化為水磨的機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．聲能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能．日光燈原先的光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．電爐接入電路，電能最后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．燃料燃燒釋放出來的能量最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.,以一副撲克牌為例，下列關(guān)于有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的認(rèn)識中不正確的是( ) A．按黑桃、紅桃、草花、方塊的順序，而且從大到小將撲克牌排列起來，撲克牌這時是有序的 B．將撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，撲克牌是無序的，每部分內(nèi)部是有序的 C．一副撲克牌，這就是一個宏觀態(tài)，將牌洗動一次就是一個微觀態(tài),D．一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個宏觀態(tài)，它是一副撲克牌對應(yīng)的一個微觀態(tài) E．一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個宏觀態(tài)，從偶數(shù)部分抽出一張插入到奇數(shù)部分，它是該宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài) 解析： A中撲克牌的排列是有確定規(guī)則的，是有序的，A正確． B中將撲克牌按奇、偶分成兩部分，是有確定規(guī)律的，是有序的，每部分內(nèi)部排列是沒有規(guī)則的，是無序的，B不正確．,一副撲克牌是一個系統(tǒng)，是一個宏觀態(tài)．洗動一次，系統(tǒng)內(nèi)部排列不同，是這副撲克牌宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài)，C正確． 將一副撲克牌分成奇、偶兩部分，構(gòu)成一個系統(tǒng)，是一個宏觀態(tài)，同時，它又是一副撲克的一種排列形式，是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài)，D正確． 從偶數(shù)部分中抽出一張插入奇數(shù)部分中，不再對應(yīng)于按奇偶分成兩部分的撲克牌這一宏觀態(tài)，也不再是該宏觀態(tài)對應(yīng)的一個微觀態(tài)，可以當(dāng)做是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)，E錯誤． 答案： BE,【反思總結(jié)】 熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較多無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展．熱力學(xué)第二定律的適用范圍： (1)熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，只對有大量分子所組成的系統(tǒng)才適用； (2)不能把熱力學(xué)第二定律推廣到浩瀚的宇宙中去，因為宇宙不是一個孤立的系統(tǒng)．,【跟蹤發(fā)散】 1－1：關(guān)于氣體向真空中擴(kuò)散的規(guī)律的敘述中正確的是( ) A．氣體分子數(shù)越少，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 B．氣體分子數(shù)越多，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 C．?dāng)U散到真空中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大 D．氣體向真空中擴(kuò)散時，總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行,解析： 氣體分子向真空中擴(kuò)散時，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數(shù)越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確、B錯誤．?dāng)U散到真空中的分子在整個容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最強(qiáng)，C、D正確． 答案： ACD,關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點正確的是( ) A．無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為 B．根據(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，必須同時加強(qiáng)對環(huán)境的保護(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： 答案： ACD,【跟蹤發(fā)散】 2－1：下列供熱方式最有利于環(huán)境保護(hù)的是( ) A．用煤做燃料供熱 B．用石油做燃料供熱 C．用天然氣或煤氣做燃料供熱 D．用太陽能灶供熱,解析： 煤、石油、天然氣等燃料的利用，使人類獲得大量的內(nèi)能．但由于這些燃料中含有雜質(zhì)以及燃燒的不充分，使得廢氣中含粉塵、一氧化碳、二氧化硫等物質(zhì)污染了大氣．而太陽能是一種無污染的能源，應(yīng)大力推廣，故答案應(yīng)選D. 答案： D,1．下面關(guān)于熱力學(xué)第二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)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 B．一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動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)動無序性減小的方向進(jìn)行 D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小,解析： 系統(tǒng)的熱力學(xué)過程就是大量分子無序運(yùn)動狀態(tài)的變化，從微觀角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，所以A對．熱力學(xué)第二定律的微觀意義是“一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動無序性增大的方向進(jìn)行”，所以B、C均錯．D是在引入熵之后對熱力學(xué)第二定律微觀意義的描述，D對． 答案： AD,2．下列對能量耗散的理解正確的有( ) A．能量耗散說明能量在不斷減少 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，但可以憑空消失 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： 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轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(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，宇宙的能量既沒有減少，也沒有消失，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，B、D對． 答案： BD,3．導(dǎo)致大氣中CO2濃度增加的主要原因是( ) A．大量植物和生物物種滅絕 B．大量燃料如石油、煤炭、天然氣等的燃燒 C．人口劇增，呼出的二氧化碳增多 D．自然因素破壞了地球環(huán)境生態(tài)平衡 解析： 從生活實際出發(fā)，應(yīng)該知道現(xiàn)代社會的工業(yè)、生活等會消耗大量的煤、石油、天然氣等化石燃料，它們在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，這些二氧化碳直接排入大氣中，導(dǎo)致大氣二氧化碳濃度增加． 答案： B,4．能源利用的過程實質(zhì)上是( ) A．能量的消失過程 B．能量的創(chuàng)造過程 C．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程 D．能量的轉(zhuǎn)化、傳遞并且逐漸消失的過程 解析： 能源利用的過程是做功或熱傳遞的過程，前者是能量的轉(zhuǎn)化，后者是能量的轉(zhuǎn)移． 答案： C,5．關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點不正確的是( ) A．能源是有限的，無節(jié)制的利用能源，是一種盲目的短期行為 B．根據(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，必須同時加強(qiáng)對環(huán)境保護(hù) D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機(jī)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的主要途徑,解析： 化石能源的資源是有限的，因此要開發(fā)和利用新能源，同時加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，故選B. 答案： B,6．煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能資源的能量形成和轉(zhuǎn)換利用過程基本上是( ) A．太陽能輻射→化學(xué)能→熱能 B．太陽能輻射→機(jī)械能→電能 C．生物質(zhì)能→電能→化學(xué)能→熱能 D．太陽能輻射→機(jī)械能→化學(xué)能 解析： 太陽能輻射轉(zhuǎn)化成了煤、石油、天然氣等的化學(xué)能，在對這些能源利用的過程中，又把它們的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了熱能． 答案： A,7．下列哪些現(xiàn)象屬于能量耗散( ) A．利用水流能發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能 B．電能通過燈泡中的電阻絲轉(zhuǎn)化為光能 C．電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 D．火爐把房子烤暖,解析： 能量耗散是指其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終流散在周圍環(huán)境中無法重新收集并加以利用的現(xiàn)象，能夠重新收集并加以利用的能不能稱能量耗散．本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等．只有當(dāng)用電燈照明時的光能被墻壁吸收之后變?yōu)橹車h(huán)境的內(nèi)能，才無法重新收集并加以利用，但本題沒有告訴這光能用來做什么，故不能算能量耗散．只有火爐把房子烤熱后使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能并流散在周圍的環(huán)境中，無法重新收集并加以利用，才是能量耗散． 答案： D,8．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是( ) A．熱機(jī)中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機(jī)械能 B．電流的能不可能全部變成內(nèi)能 C．在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能 D．在熱傳遞中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體,解析： 凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性，無論采用任何設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，總是遵循“機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”，故A正確．火力發(fā)電機(jī)發(fā)電時．能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機(jī)械能→電能，因為內(nèi)能→機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?，C正確．熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行，必須借助外界的幫助．結(jié)果會帶來其他影響，這正是熱力學(xué)第二定律第一種表述的主要思想，故D正確．由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知，電流的能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B錯誤． 答案： ACD,