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第十章 热力学定律
第十章 热力学定律
有序
无序
宏观
不同分布
增大
kln Ω
无序性
不会减小
内能
自动发生
方向性
降低
石油
酸雨
太阳能
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第5节 热力学第二定律的微观解释 第6节 能源和可持续发展
1.理解有序和无序、宏观态和微观态的概念． 2.理解热力学第二定律的微观意义，了解熵的概念及用熵的概念表示的热力学第二定律． 3.了解什么是能量耗散和品质降低，认识能源和环境与人类生存的关系，知道可持续发展的重大意义，增强保护环境的意识．
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＝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．
(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．
(1)熵值越大代表着越有序．( )
(2)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大．( )
(3)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
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，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
既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
提示：能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量．
热力学第二定律的微观意义
1．热力学第二定律的微观解释
(1)高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体．所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了，而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了．所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体.
(2)换一种角度看，初始状态我们根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的无序程度增加了．
(3)在通过做功使系统内能增加的过程中，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．
2．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．
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．传热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．传热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无序性减小的方向进行
[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，而不是变成了有序，传热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．
[答案] C
(1)一切自发过程都是不可逆的，总是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化发展的过程，即无序性增加的过程．
(2)传热过程是大量分子由无序程度小的运动状态转化为无序程度大的运动状态的过程，体现了热传递的方向性．
1.(多选)关于气体向真空中扩散的规律的叙述中正确的是( )
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，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析：选ACD．气体分子向真空中扩散时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正确、B错误．扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最大，C、D正确.
熵和熵增加原理
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．
(多选)下列关于熵的观点中正确的是( )
A．熵越大，系统的无序性越大
B．对于一个不可逆绝热过程，其熵不会减小
C．气体向真空扩散时，熵值减小
D．自然过程中熵总是增加，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
[解析] 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序性越大，A项正确；不可逆绝热过程中，其宏观态对应的微观态数目增加，其熵会增加，不会减小，B项正确；气体向真空中扩散，无序程度增大，熵值增大，C项错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现概率较大，通向无序的渠道多，D项正确．
[答案] ABD
当热力学系统从一个平衡态经过绝热过程到达另一个平衡态，它的熵永不减小．如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值增加．
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
解析：选B．熵是物体内分子运动无序程度的量度，熵越大则物体内分子运动无序程度越大，A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；热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，C正确；熵值越大，代表系统分子运动越无序，D正确．
能源的开发与利用
1．能源开发和利用：加强新能源，特别是清洁能源的开发和利用，控制化石能源开采，提高能源的利用率，降低对环境的污染．
2．能源对环境的影响
(1)常规能源对环境的影响：石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升，海水倒灌、耕地盐碱化……这些都是人类过度开发自然所产生的严重问题．
(2)做好环境保护工作：目前的任务是采用能源新技术，解决突出的环境污染问题．例如，城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；提高汽车发动机效率，解决尾气问题，达到废气“零”排放；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等，变废为宝．
(多选)下列对能量耗散的理解正确的是( )
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
[解析] 在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会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．
[答案] BD
3.(多选)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、两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
解析：选BC．“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、两极冰雪融化、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B、C选项正确．
[随堂检测]
1．下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A．用煤做燃料供热
B．用石油做燃料供热
C．用天然气或煤气做燃料供热
D．用太阳能灶供热
解析：选D．煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能，但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧得不充分，使得废气中含有的粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气．而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故答案应选D．
2．(多选)下面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
解析：选BC．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，选项A错误，选项B正确．常规能源的利用比核能的利用对环境的影响更大，选项C正确，选项D错误．
3．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( )
A．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
解析：选C．理想气体在绝热的条件下，向真空做自由膨胀的过程是一个既与外界没有热交换，又没有对外做功的过程，根据热力学第一定律可以确定气体的内能不变，而理想气体的分子势能为零，即分子平均动能不变，故气体的温度不变．由理想气体状态方程可知，V增大，T不变，则p减小，B错．由热力学第二定律可知D错．
4．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．能量耗散过程中能量不守恒
B．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方向性
C．在某一变化过程中外界对气体做功，而气体的内能反而减小是可能的
D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能
E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
解析：选BCE.能量耗散过程中能量仍守恒，能量耗散说明宏观热现象的发生具有方向性，选项A错误，B正确；做功和热传递在改变物体内能的效果上是相当的，在某一变化过程中外界对气体做的功较少，而气体对外放出的热量较多，由热力学第一定律知其内能必减小，选项C正确；第二类永动机违背了热力学第二定律，机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化，选项D错误；如果这两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，选项E正确．
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