10.5 热力学第二定律微观解释10.6 能源和可持续发展

自 主 学 习
分 类 例 析
一、如何理解有序和无序、宏观态和微观态？ 有序和无序 确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的 规则和要求的分布是无序的．
(1) 无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相
反． (2)有序和无序是相对的．
举例：一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、草花、方块的顺序排
列，但对号码的大小不做要求，这样的排列对于完全杂乱的一 副牌来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号 码顺序也有要求的排列来说，就是无序的了．
自 主 学 习 分 类 例 析
宏观态和微观态
当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描写的系
统状态叫热力学系统的宏观态；如果使用分子数分布并且区 分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态． (1)在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任 一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都
答案
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借题发挥
能源是人类生存和发展的重要支撑因素，海洋蕴藏着
极丰富的能源：潮汐能、波浪能、温差能、盐度差能、海流能等， 海洋能源亟待人类去开发，潮汐发电是海洋能开发较早的一种， 我国潮汐能源约1.1×108 kW，开发利用潮汐能技术也在不断提
高．
Байду номын сангаас
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分 类 例 析
熵增大原理
(1)由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏 观状态，也就是出现概率较大的宏观状态．在自然过程中熵总 是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无 序的渠道要比通向有序的渠道多得多．把事情搞得乱糟糟的方
式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多．

2.理论分析
中自由膨胀 简化模型：
宏观态
0.4
总对态分子应的数个微为数观4
宏观态出 现的概率
2
0.左3 0右4 C40 = 1
1/16
概率
隔
1
3板
4
思考：若分子数为有许多个呢?
0.左2 1右3 0.左1 2右2 左0 03右1
左4右0
C41 = 4
4/16
C42 = 6
6/16
2C43 = 4 4 4/16 6 C左44 室=分1子数 1/16
4.结论：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。
三、热学现象的方向性与宏观态的无序性的关系
5.无序性的定量描述： ①微观态数：Ω ②熵：S=klnΩ ③热力学第二定律的熵表述： 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。 （熵增加原理） 拓展：熵的概念已经被沿用到生命科学、信息科学和社
就是无序。
一、有序与无序
让扑克牌整齐排列——规则A
思考：哪种排列方式更有序？
让扑克牌按花色排列——规则B
1.只要确定了某种规则，符合这个规则的就是有序，不符
合就是无序。
2.有序和无序是相对的，若规则B是规则A的充分条件，则
符合B的状态比符合A的状态更有序。
二、宏观态与微观态
1.在统计物理中，确定了一种规则，就是规定了一个宏观态。
会学等领域中。
巩固练习
练习1.下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( AD) A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律 B．一切自发过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行 C．有的自发过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的 自发过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行 D．在任何自发过程中，一个孤立系统的总熵不会减小

A．气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回 到原状态的可能性越大
B．气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回 到原状态的可能性越大
同理可知，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。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，熵又被 称为“时间箭头”。
图10－5－1
课堂互动·突破考点
考点一 对热力学第二定律微观意义的理解 1．对熵的理解 (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，这个系统的熵就越大。 (2)从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规 律，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展， 而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是 向无序程度更大的方向发展。
[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．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
第5节 第6节
热力学第二定律的微观 解释 能源和可持续发展
[学习目标] 1．了解热力学第二定律的微观意义。 2．知道能量耗散，理解能量耗散会导致能量品质 的降低。 3．知道能源利用与环境污染。 4．了解能源开发与环境保护。

热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展
一、热力学第二定律的微观解释
1.有序和无序、宏观态和微观态
□ (1)有序：一个系统的个体按确定的___0_1__方__向____有顺
序的排列。
(2)无序：一个系统的个体分布没有确定的要求，分布
□ 是____0_2_随__意____的，称为无序。
□ (3)宏观态：一个____0_3_系__统____整体所处的状态叫做宏
[规范解答] 能量转化过程中总能量守恒，但散失在空 气中的内能不可能收集起来用来做功。
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，它只从能量角度反映出 自然界的宏观过程具有方向性，故 A、C 错误，B、D 正确。
从分子热运动的角度解释热传递的方向性 两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，总 体上看，分子热运动的分布较为无序，能量适当集中，而热 量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变的分散，分子 热运动的分布较为无序。由于一切自然过程总是沿着无序性 增大的方向进行，所以热传递中能量是由高温物体传向低温 物体的，热传递具有方向性。
(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。
特别提醒 热力学第二定律是一个统计规律：一个孤 立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代 表着较多无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的 方向发展。
例 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( )
_□_1_7_太__阳__能____、___□1_8__风__能____、___□1_9__水__能____是清洁