2017-2018学年高中物理第十章热力学定律第5、6节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展教学案新人教版

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S＝k ln 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。

(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。(√)

(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(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)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

解析：选CD 因为大量分子做无规则热运动，因此系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是无序的运动；热运动的结果只能使分子热运动更加无序；热传递的自然过程是自发进行的；由热力学第二定律的微观意义知，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。故C、D正确，A、B错误。

2．(多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )

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。