高二物理有序无序和熵

高中物理7有序、无序和熵素材新人教版选修1_2教学建议讲授“能量的耗散与退化”这一部分内容时,建议适当增加一些分析实例,帮助学生认识系统内能在能量转化中只能部分地用于做功的特点,了解可利用能量与不可利用能量的区别,使他们明白任何能源利用过程都必然导致能量的“贬值”,因而应节约能源。

对于熵,借用克劳修斯的研究结果,以直接引入方式,说明熵可以用来表示(孤立)系统的能量耗散和退化的程度,进而很自然地过渡到用熵来描述宏观的不可逆过程,给出熵增加原理的表述,然后再对熵及熵增加原理作必要的解释,进而把对熵概念的更深入认识放在“有序向无序的转化”部分进行。

这种处理既简洁通俗,又不失科学性。

资源参考熵与生命热力学第二定律的原理是:热量从高温物体传向低温物体,但总能量守恒,且不断减少做功能力。

在一个热力学系统中,系统热效率越高,能量转换为有用功的能越多。

但无论怎样改进热机,也永远无法达到热、功之间的完全转换,因为在转换中能量的耗散是无法避免的。

为了表述热机系统能量转换为有用功程度的大小,克劳修斯为第二定律引入了一个新概念——“熵”。

熵的原意是转变,在数学上它是热机系统状态的函数,熵小意味着一个系统热量转变为有用功的程度高,熵大则表示转变程度低,这就区分出了有用的能量交换与不可逆地耗散掉的能量的关系。

热力学第二定律的意义很快超出物理领域。

通过熵的数学表述,在一个热力学系统中,熵增指热能量耗散增加,意味着内能在做功过程中部分向系统环境耗散了。

这个过程是不可逆的,因此熵只能是正或为零。

这样,熵增就表示着热力学系统内部有一种不可逆的过程。

克劳修斯1865年的第二定律的宇宙论推论:“宇宙的能量是常量;宇宙的熵趋于最大”,即所谓的“宇宙热寂说”,引起了极大争议。

但现代宇宙大爆炸说已经证明,宇宙是有自身时间的箭,因而是有一个从生到死的生命演化过程的。

这样,人类在追求宇宙和自身的永恒中,通过热力学语言,很不情愿地发现了与我们人类的生命感觉相一致的、正如古代哲人孔子所述的“逝者如斯夫”那样的宇宙事实:时间并不是幻觉,而是物体有方向的变化过程;时间具有方向性,是不可逆的,无论是宇宙还是我们人类,只能从生到死,而不可倒逆。

4．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．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：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)各种形式能量向内能转化，是无序程度较小状态向无序程度较大状态的转化，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做常规能源，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．三、热力学第二定律的微观解释和熵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：宏观上看是机械能或其他形式能量转化为内能的过程；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叫做玻耳兹曼常数．(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．4.有序及无序过程的判断：(1)判断此类问题要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的．(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的．四、．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．4．熵：表达式S＝，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．二、能源：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，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象．(2)各种形式能量向内能转化，是无序程度状态向无序程度状态的转化，是能够发生、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，却会导致能量的降低，它实际上是将能量从高度有用的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、、等化石能源叫做常规能源，消耗的能源主要是常规能源．(2)新能源：主要有能、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效应、酸雨、光化学烟雾等．三、热力学第二定律的微观解释和熵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：宏观上看是机械能或其他形式能量转化为内能的过程；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叫做玻耳兹曼常数．(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．4.有序及无序过程的判断：(1)判断此类问题要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的．(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的．四、．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．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．( )6.．能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响．( )1．质量相同、温度相同的水，如图10­5­1所示，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？气体液体固体2．熵的大小与无序性的大小有什么关系？在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？3.（多）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4．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5．一杯热水置于空气中，它总是冷却到与周围环境相同的温度，因为处于比周围温度高或低的几率都较小，而与周围环境同温的平衡态是几率最大的状态，但是这杯水的熵却减少了，这与熵增加原理相矛盾吗？6.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？7．如图所示是锅炉工作时的外景，从节约能源和环境保护角度来看，分析存在的主要问题是什么？8．下列对能量耗散的理解正确的有( )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E．能量耗散符合热力学第二定律9．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？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．(×)1．根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的．(×)2．能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低．(×)3．能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响．(√)1．质量相同、温度相同的水，如图10­5­1所示，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？气体液体固体图10­5­1【提示】质量相同、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化．所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小．2．熵的大小与无序性的大小有什么关系？在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？【提示】熵值越大其无序性越大．在自然过程中，孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展．1．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【解析】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．【答案】CDE2．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【解析】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。

第二章五、有序、无序和熵自然界一切涉及热现象的宏观过程都是不可逆的，每一种宏观过程的不可逆性，都可以用来作为热力学第二定律的一种表述，所以热力学第二定律的表述方法是多种多样的。

那么，能不能概括所有不可逆过程的共同本质，找出一个普遍的物理量作为共同的标准，判断各种不可逆过程的进行方向呢？能量的耗散与退化1852年，W．汤姆孙指出，在自然界发生的种种变化中，能量的总值虽然保持不变（守恒），但是能量可被利用的价值却越来越小，或者说能量的品质在逐步降级。

这就是能量的耗散与退化。

对于人类来说，内能不如机械能、电能好用，它只能部分地用于做功，总有一部分内能要散发到温度较低的环境中。

可见，内能是一种低品质的能，其他形式的能量通过摩擦、碰撞、燃烧等过程转换成内能，能量的品质就降低了。

由于宏观过程的不可逆性，一个系统的内能一旦增加，这个系统就永远无法依靠自身的作用（自发地）回到原先的状态，除非系统靠外界的帮助；而“外界的帮助”将更多地消耗其他形式的能量，产生出更多的内能来。

当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球上的能量，而是将能源中高度有用的能量形式降低为不大可用的能量形式。

例如，开汽车时要消耗汽油，把汽油中的化学能转变成内能，而汽车排气管排出的废气带走的内能就不能利用了。

思考与讨论既然能量是守恒的，我们常说的“节约能源”又是什么意思？你能从日常生活中举出一些能量耗散与退化的例子吗？绝对零度不可达到我们在初中学过，宇宙中存在着温度的下限：-273.15℃。

热力学温度，即绝对温度，就是以这个温度下限为起点的。

热力学温度用丁表示，单位是开尔文（kelvin），符号是K。

热力学温度T与摄氏温度t（单位是℃）之间的换算关系是T=t+273.15 K1下表是我们已经知道的一些温度值。

一些实际的温度值1在表示温度的差值时．K与℃的意义相同，因此分别以K和℃为单位的物理量可以相加减。

着科学技术的发展，人们可以获得越来越低的温度。