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；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小．
3．熵增加原理
(1)熵是无序程度的量度：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度．使其熵值达到最大值．
(2)热力学系统演化的方向性：对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行，或者说，一个孤立系统的熵永远不会减少，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式．
如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加，熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少．
【例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．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计定律
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．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．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
E．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小
ACE [热力学定律是一个统计规律，A项正确；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，B项错误；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，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了无序，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．任何自然过程总是向熵增加的方向进行，C、E项正确，D项错误．]
热力学第二定律的微观解析
一切自然过程总是沿着分子无序性增大的方向进行．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．
1．(多选)对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是( )
A．系统的总熵只能增大，不可能减小
B．系统的总熵可能增大，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有序的状态发展
AC [在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故A正确，B错误．根据熵增加原理，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．]
能源和可持续发展
1．如何正确理解能量耗散和品质降低
(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了．
(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量. 由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．
(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
2．能源的分类
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按形式或转换特点分
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
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
按利用技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气、水能
新能源
正在开发，或有新的利用方式
太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否再生分
可再生能源
可循环使用
水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气、核燃料
按对环境污染情况分
清洁能源
对环境基本上没有污染
太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
化石燃料(煤、石油、天然气)
【例2】 (多选)下列关于能量耗散的说法正确的是( )
A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律
B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用
C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
D．能量耗散导致能量品质的降低
BCD [能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故选项A错误，选项D正确；耗散的内能无法再被利用，选项B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确．故选B、C、D.]
能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性．
2．(多选)下列关于能源的说法中正确的是( )
A．能源是取之不尽，用之不竭的
B．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
BC [尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，A错，B对；常规能源的利用比新能源核能的利用对环境影响大，C对，D错．]
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.有序和无序，宏观态和微观态的概念.
2.热力学第二定律的微观意义.
3.熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述.
4.能量耗散和能量品质降低.
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→乙
B．甲比较无序，乙比较有序，甲→乙
C．甲比较有序，乙比较无序，乙→甲
D．甲比较无序，乙比较有序，乙→甲
A [一个宏观态对应微观态的多少标志着宏观态的无序程度，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项正确，B、C、D项错误．]
2．下面关于熵的说法错误的是( )
A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D．熵值越大，代表系统分子运动越无序
B [熵是物体内分子运动无序程度的量度，熵值越大，代表系统分子运动越无序，A、D正确；在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向增加的方向进行，B错误；热力学第二定律又可表述为一切自然过程都遵守熵增加原理，其微观实质是熵增加，C正确．]
3．下列说法正确的是( )
A．能量耗散说明能量在不断减少
B．能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
C．热量不可能从低温物体传给高温物体
D．根据热力学第二定律，在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能
B [能量耗散是指能量的可利用率越来越低，由于能量守恒，故能量不会减少，选项A错误；根据热力学定律可知，与热现象有关的宏观自然过程有其方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，选项B正确；根据热力学第二定律可知，能量转化和转移具有方向性，热量不能自发地从低温物体传给高温物体，但可以借助其他办法实现，选项C错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为化学能—内能—机械能—电能，因为内能—机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，选项D错误．]
4．(多选)下列关于能源的说法正确的是( )
A．石油、天然气都属于新能源
B．能量耗散不遵循能量守恒定律
C．能量耗散会导致能量品质的降低
D．为了可持续发展，必须节约能源
CD [石油、天然气属于常规能源，A项错误；能量耗散同样遵循能量守恒定律，但能量耗散导致能量品质降低，B项错误，C项正确；因可用能源正在减少，故为了可持续发展，必须节约能源，D项正确．]
课件48张PPT。第十章 热力学定律5 热力学第二定律的微观解释
6 能源和可持续发展某种规则 没有 宏观 个体的不同分布 无序性增大 无序性 减小 内能 较小 较大 自动 方向 品质 高品质 低品质 石油 天然气 太阳 温室
√√×××热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十六)
(时间：40分钟 分值：100分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每小题6分)
1．(多选)关于宏观态与微观态，下列说法正确的是( )
A．同一系统，在不同“规则”下，其宏观态可能不同
B．宏观态越有序，其对应的微观态数目就越多
C．一个宏观态往往对应有多个微观态，对应的微观态越多，这个宏观态的无序度越大
D．一个宏观态可能是另一宏观态对应的微观态
ACD [宏观态越有序，其对应的微观态数目就越少．]
2．(多选)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自发过程具有方向性
BD [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中与热现象有关的宏观自发过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确．]
3．下列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会减小
A [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，B、C项错误；热力学第二定律是一个统计规律，A项正确；任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，故D项错误．]
4．(多选)从微观角度看，下列说法正确的是( )
A．一个非孤立系统可能从熵大的状态向熵小的状态发展
B．一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展
C．一个宏观状态所对应的微观状越多，越是无序，熵值越大
D．出现概率越小的宏观状态熵值越大
E．出现概率越大的宏观状态，熵值越大
ACE [一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的．熵是描述系统大量分子运动无序性程度的．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展．反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．对于一个非孤立的系统，在与外界有能量交换时其熵也有可能变小，故B、D错误，A、C、E正确．]
5．(多选)下列说法中正确的是( )
A．机械能和内能之间的转化是不可逆的
B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的
C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较有序的
D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的
E．无序意味着各处一样，平均、没有差别
BDE [热现象的宏观过程都是不可逆的，故A错、B对；微观态越多越无序，因为无序是各处都一样，平均没有差别，故D、E正确，C错误．]
6．(多选)煤、石油、天然气作为能源的共同特点的下列说法正确的是( )
A．可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．不可再生能源，用一点，少一点
C．来自太阳辐射的能量
D．污染环境的能源
E．正在开发的新能源
BCD [煤、石油、天然气是不可再生、污染环境的能源，它是由动、植物转化而来的，其来源可追溯到太阳能，故B、C、D正确．]
二、非选择题(14分)
7．某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
[解析] 首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，这些气流的动能为Ek＝mv2
故风车带动发电机发电的功率为
P＝＝πr2ρv3×10%
代入数据以后得P＝3.4 kW.
[答案] 3.4 kW
[能力提升练]
一、选择题(本题共4小题，每小题6分)
1．(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律( )
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能
C．桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离
D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
E．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
CDE [A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生；C中系统的势能减少了；D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生，故D正确；不可能从单一热源吸收热量使之完全变为功，而不产生其他影响，故E正确．]
2．(多选)对气体向真空中扩散的规律，下列说法中正确的是( )
A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C．扩散到真空中的分子数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．扩散到真空中的分子数在整个容器中分布越不均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
E．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
ACE [气体分子数越多，其宏观态对应的微观态数目越多，无序性越大，故回到原状态的可能性越小，故A、C、E对，B、D错．]
3．(多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是( )
A．温度升高，分子的平均动能增大，每次碰撞对容器壁的作用力增大，但压强不一定增大
B．体积减小，单位体积内的分子数增多，气体的内能一定增大
C．绝热压缩一定质量的理想气体时，外界对气体做功，内能增加，压强一定增大
D．一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，熵减小
E．在等温膨胀中一定从外界吸热
ACE [对于一定质量的理想气体，由＝C知，温度升高，如果气体体积增大，压强不一定增大，A对；体积减小，单位体积内的分子数增多，如果对外放热，气体的内能可能减小，B错；孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，D错，C对；气体在等温膨胀中，对外界做功，而内能不变，则一定吸热，故E对．]
4．(多选)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(如图甲)．现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图乙)，这个过程称为气体的自由膨胀．下列说法正确的是( )
甲 乙
A．自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动
B．自由膨胀后，气体的压强减小
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
E．自由膨胀过程中，气体不做功
BCE [气体向真空膨胀，不对外做功，在充满整个容器过程中也没有热交换，根据热力学第一定律知内能不变，温度不变，C正确；气体膨胀后体积增大，温度不变，根据理想气体状态方程可知气体压强减小，B正确；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，但其逆过程却不能自动地进行，A、D错误；自由膨胀过程中由于不受阻力，因此气体不做功，E对．]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(12分)设计在风力资源丰富的甘肃河西走廊西端的玉门建一个大型风力发电场，其单机的额定功率为600 kW.通过实验测得风力发电机的功率与风速的关系曲线如图所示．从图示资料可知：当平均风速大于______m/s时就可以发电，当平均风速达到______m/s时达到额定功率．气象资料显示：河西走廊常年平均风速为v＝12 m/s，则一台风力发电机的年发电量约为______kW·h.
[解析] 由题图可知，横坐标为风速、纵坐标为功率，起点处纵坐标为零，横坐标在2～3之间，所以当平均风速大于2 m/s时，就有电功率输出，就能发电．再由图线可知，在风速达到14 m/s时，电功率稳定，所以此时达到额定功率．风速v＝12 m/s时，对应电功率为530 kW，应用W＝Pt公式，将数据代入求解整理可得W＝4.64×106 kW·h.
[答案] 2 14 4.64×106
6．(14分)能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油，由于储量有限，有朝一日要被开采完，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例．
如图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机．涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道，如图甲．潮落至最低点时放水发电，如图乙．待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙．设海湾面积为5.0×107 m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，则一天内流水的平均功率为____MW.
[解析] 潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能．每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg＝ρShg＝1.0×103×5.0×107×3×10 N＝1.5×1012 N，其重心高度变化为h′＝1.5 m.
一天内海水两进两出，故水流功率为
P＝＝ W＝1.0×108 W
＝100 MW.
[答案] 100
