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.了解有序和无序是相对的，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.2.知道熵的概念，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述.3.了解能量耗散、能源和环境．
一、热力学第二定律的微观解释
[导学探究]
(1)如图1所示，一个箱子被挡板均匀分为左、右两室，左室有4个气体分子a、b、c、d，右室为真空，撤去挡板后，气体自由扩散，以箱子内的4个分子为模型，说明具有哪些可能的宏观态和微观态，并用热力学第二定律说明，气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情况．
图1
(2)试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，能否由此得出热力学第二定律的微观意义？
答案 (1)可能的宏观态有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；对应的微观态数目：1、4、6、4、1.不同的宏观态包含着不同数量的微观态，其中分子分布的最大一种可能情况是左2右2，最小一种可能情况是左0右4或左4右0.
(2)从无序的角度看，热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的．因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的瞬间，分子仍聚集在左室，对于左、右两室这一个整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就变得无序了．我们看到“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，而分子集中在一个室中，另一个室变成真空的可能性最小．实际上，当气体系统中分子个数相当多时，撤去挡板后实际上我们只能看到气体向真空中扩散，而不可能观察到气体分子重新聚集在一室中的现象．因此，气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的，综上可知，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，这就是热力学第二定律的微观意义．
[知识梳理]
1．有序和无序：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(选填“有”或“没有”)确定的要求，“怎样分布都可以”即无序．
第十章 热力学定律 测试题
时间：90分钟 满分：100分
第Ⅰ卷(选择题 48分)
一、选择题(本题有12小题，每小题4分，共48分．在每小题给出的四个选项中，至少有一个选项是正确的．全部选对的得4分，选对但不全的得2分，选错或不答的得0分)
1．下列实例说明做功改变系统内能的是( )
A．热水袋取暖
B．用双手摩擦给手取暖
C．把手放在火炉旁取暖
D．用嘴对手呵气给手取暖
【解析】 双手摩擦做功，使手的内能增加，感到暖和；A、C、D都是通过热传递来改变系统的内能，选项B正确．
【答案】 B
2．与外界隔绝的、发生变化孤立体系，其总熵的变化是( )
A．不变
B．可能增大或减小
C．总是不增大
D．总是减小
【解析】 据熵增加原理知，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．
【答案】 C
3．在研究性学习的过程中，同学们提出了以下四个活动方案，哪些从理论上讲是可行的( )
A．改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可达到100%
B．发明一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下
C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
【解析】 热机的效率不可能达到100%，A错；绝对零度不可达到，B错；汽车尾气中有害气体不会与空气自动分离，C错；太阳能可以发电和进行加热，D正确．
【答案】 D
4．0 ℃水结成0 ℃的冰，对此过程应用热力学第一定律，以下关系符号的说明正确的是( )
A．Q>0，W>0，ΔU>0
B．Q>0，W<0，ΔU<0
C．Q<0，W<0，ΔU<0
D．Q<0，W>0，ΔU<0
【解析】 对这一过程的判断要注意两点：(1)水结成冰，要放出熔解热．(2)水结成冰，体积要膨胀．据此，可以立即给出判断．
放出熔解热，表示Q<0.体积膨胀，表示物体对外界做功，W<0.因此，只能选择选项C.
1、 在物理化学分析中常用的四个基本原理
1) 相率：研究相态变化的规律。
2) 连续原理：决定体系状态的参变量作连续变化时，如体系相的数目和特点没有改变，则整个体系的性质也是连续变化的。
3) 对应原理：体系中每一个化学个体或每一个可变组成的相都和相图上一定的几何图象相对应。
4) 化学变化的统一性原理：不论何种化学变化体系，只要体系中所发生的变化相似，他们的几何图形就相似。
2、 研究相平衡（相图）的方法：热分析法（动态法）、静态法
动态法：通过体系在加热和冷却过程中产生热效应时的温度来研究相平衡。
热分析法的原理：连续性原理，如体系无变化，则时间-温度曲线呈有规律连续变化；如有变化，则伴随有热效应，时间-温度曲线发生转折，根据转折点就可确定转变发生的温度。
热分析法的方法：冷却曲线法、加热曲线法。当体系自熔融状态冷却时，按能量的变化规律，析出的晶相是有次序的，在相平衡的研究中，冷却曲线是追重要的。
静态法：在一定条件下使试样在某一温度下达到平衡，然后在该温度下用高温X射线衍射仪或高温显微镜等研究相的组成和结构，或迅速将试样冷却至室温，在室温下进行相分析和结构分析及性质测定来研究相平衡。
静态法的原理：对相变速度很慢或有相变滞后现象的体系，难以用动态法准确测定转变温度，在这种情况下宜用静态法。
静态法的方法：将研究体系一系列不同组成的试样各准备多分，分别加热至一系列不同温度，长时间保温，使相变或其他变化充分进行，达到平衡状态，然后进行高温观察或淬冷，由于相变来不及进行，冷却后的试样就保存了高温下的平衡状态。其手段有X射线衍射、显微镜观察（SEM,TEM,光学显微镜等）、电子探针
3、 塔曼三角形法
塔曼三角形的原理：
1) 如果体系各熔合体的重量相等，而又在完全相同的条件下进行冷却，则在冷却曲线上相当于低共熔温度停顿的时间或水平线段的长短和析出的低共熔物的重量成正比。
2) 在纯组分（或化合物）处停顿的时间等于零，而在组成相当于低共熔物时，停顿的时间最长，据此，低共熔点的组成可以如此求得，即在组成-熔点图上在相当于低共熔点的温度处，垂直于组成轴在相应的组成作某些线段，使其与停顿的时间成正比，经过诸线段的末端划两条直线，而得到一个三角形。三角形高度的组成即相当于所求的低共熔点的组成。
1 热力学第二定律 热力学第二定律的微观解释
题组一 热力学第二定律
1.热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程( )
A.都具有方向性 B.只有部分具有方向性
C.没有方向性 D.无法确定
解析:自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性,例如,热传导、气体自由膨胀等。
答案:A
2.关于第二类永动机,下列说法正确的是( )
A.它既不违反热力学第一定律,也不违反热力学第二定律
B.它既违反了热力学第一定律,也违反了热力学第二定律
C.它不违反热力学第一定律,却违反了热力学第二定律
D.它只违反热力学第一定律,不违反热力学第二定律
解析:第二类永动机仍然遵循能量守恒定律,所以不违反热力学第一定律,但能量的转化和转移具有一定的方向性,它违反了热力学第二定律。故C正确。
答案:C
3.图示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中,制冷剂被汽化,汽化时吸收箱体内的热量,汽化的制冷剂经过冷凝器,制冷剂被液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是(
)
A.热量可以自发地从冰箱内传递到冰箱外
B.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
C.电冰箱的工作原理不违反能量守恒定律
D.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能
解析:由热力学第二定律知,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,除非施加外部的影响和帮助。电冰箱从内部吸收热量,需要压缩机的帮助并消耗电能,故选项A、B错误;而在这一过程中,是消耗了电能,而使压缩机做功,故不违反能量守恒定律,故选项C、D正确。
答案:CD
4.汽车内燃机汽缸内汽油燃烧时,气体体积膨胀推动活塞对外做功。已知在某次对外做功的冲程中,汽油燃烧释放的化学能为1×103 J,因尾气排放、汽缸发热等对外散失的热量为8×102 J。该内燃 2 机的效率为 。随着科技的进步,可设法减少热量的损失,则内燃机的效率能不断提高,其效率
