一道考查能源與可持續(xù)發(fā)展的中考題引發(fā)的思考

徐榮

摘 要：能源與可持續(xù)發(fā)展影響全球，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注能源具有重大意義。筆者從一道中考題出發(fā)，思考了命題中能源與熱力學(xué)第二定律有關(guān)的注意點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：能源；熱力學(xué)第二定律；中考題

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）1-0045-2

能源對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義，以此為背景的中考題能引導(dǎo)師生關(guān)注能源與能量。但在命題時(shí)若表述不嚴(yán)密，也會(huì)帶來(lái)一點(diǎn)問(wèn)題。

1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

原題 （2015年江蘇南京卷第9題）關(guān)于能源與可持續(xù)發(fā)展，下列認(rèn)識(shí)正確的是（ ）

A.核燃料是可再生能源

B.太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的裝置

C.能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有方向的

D.能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，總量會(huì)減少

本題給的標(biāo)準(zhǔn)答案是C，可是該選項(xiàng)的表述與課本及《課程標(biāo)準(zhǔn)》上的表述有所偏差。課本講“能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向性”時(shí)強(qiáng)調(diào)：自然狀態(tài)下或自然界中許多自發(fā)的過(guò)程，能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有方向的。C選項(xiàng)截取了后半句，不免有些斷章取義?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》則要求知道“能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移有一定的方向性”，其中的“一定”也體現(xiàn)了這種方向是有條件的。其實(shí)，這里的“方向性”指的是單向性（或不可逆性），為什么要對(duì)這個(gè)“方向”加上“一定”的條件呢？

2 熱力學(xué)第二定律

科學(xué)家將研究熱量和內(nèi)能的熱學(xué)與研究做功和機(jī)械能的力學(xué)相結(jié)合，形成熱力學(xué)。能量守恒定律是熱力學(xué)第一定律，但它未解決能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的方向、條件和限度，這恰恰是由熱力學(xué)第二定律所規(guī)定的。

熱力學(xué)第二定律（熵增加原理）：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。因此，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為熱不能由低溫物體傳到高溫物體，而是在不允許引起其他變化的條件下，熱不能由低溫物體傳到高物體。如若允許引起其他變化的話，熱是可以由低溫物體傳到高溫物體的。

另一種理解，不可逆熱力過(guò)程中熵的微增量總是大于零。在自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度（即“熵”）不會(huì)減小。何為熵呢？熵常用S表示，它的定義是：一個(gè)系統(tǒng)的熵的變化ΔS=ΔQ/T。當(dāng)系統(tǒng)吸收熱量時(shí)，ΔQ為正；當(dāng)系統(tǒng)放出熱量時(shí)，ΔQ為負(fù)。這里我們定義的是熵的變化，而不是熵本身的值。

熵為什么能描述實(shí)際過(guò)程的單向性特征呢？以熱傳遞過(guò)程為例，內(nèi)能只能自發(fā)地從高溫物體轉(zhuǎn)移給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。設(shè)高溫物體的溫度為T1，低溫物體的溫度為T2。在能量從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體的過(guò)程中，高溫物體的熵變?yōu)棣1=-ΔQ/T1，低溫物體的熵變?yōu)棣2=+ΔQ/T2，總系統(tǒng)熵變?yōu)棣=ΔS2+ΔS1=ΔQ/T2 -ΔQ/T1。由于T1>T2，所以總熵變?chǔ)>0。這表明，在熱傳導(dǎo)過(guò)程中系統(tǒng)的熵增加了，反之系統(tǒng)的熵減少。自然界的實(shí)際過(guò)程表明，只有熵增加的過(guò)程才能自發(fā)發(fā)生。于是，人們可通過(guò)熵變來(lái)判斷某個(gè)過(guò)程（包括物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程、生命過(guò)程、宇宙演化過(guò)程等）能否發(fā)生。

但熱力學(xué)第二定律并沒(méi)有說(shuō)，熵減少的過(guò)程不可能發(fā)生，而是說(shuō)這樣的過(guò)程不可能自發(fā)發(fā)生。在產(chǎn)生其他影響的情況下，熵減少也能實(shí)現(xiàn)。例如：電冰箱或制冷空調(diào)機(jī)在外界消耗電功的情況下，內(nèi)能從低溫物體轉(zhuǎn)移給高溫物體，高溫物體吸收熱量，此時(shí)熵減少，局部過(guò)程并沒(méi)有遵循方向性。不過(guò)，為了使某個(gè)熵減少的過(guò)程甲發(fā)生，必須另外附加一個(gè)同時(shí)發(fā)生熵增加的過(guò)程乙。而且，在過(guò)程乙中熵的增加量大于過(guò)程甲中熵的減少量。于是，過(guò)程甲與過(guò)程乙的總系統(tǒng)內(nèi)總熵仍然是增加的。

3 教學(xué)啟示

雖然本章內(nèi)容在中考考查中分?jǐn)?shù)不多，但在能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向性教學(xué)中，我們應(yīng)該尊重課本的描述，將“自然狀態(tài)下”“自發(fā)”等條件講清楚；同時(shí)，課本中所列舉的例子都有內(nèi)能，教學(xué)中要讓學(xué)生知道我們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過(guò)程中利用能量的這個(gè)過(guò)程，總會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)化成內(nèi)能散失到環(huán)境中，無(wú)法自動(dòng)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。即非內(nèi)能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換具有方向性，非內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的效率可以是100%，而內(nèi)能轉(zhuǎn)變成非內(nèi)能時(shí)效率則小于100%。這種規(guī)律制約著自然界能源的演變方向，對(duì)人類的生產(chǎn)、生活影響巨大，也正是能源危機(jī)的主要原因。

總之，能源問(wèn)題事關(guān)人類社會(huì)的今后發(fā)展。課堂上我們中學(xué)物理教師應(yīng)該用自己的智慧和行動(dòng)為全球的能源問(wèn)題做出一點(diǎn)點(diǎn)力所能及的貢獻(xiàn)。帶動(dòng)我們的學(xué)生認(rèn)識(shí)能源問(wèn)題、感觸能源危機(jī)、開發(fā)新能源，并帶著這種意識(shí)去面對(duì)以后的學(xué)習(xí)和生活，甚至為全球的能源問(wèn)題作出巨大的貢獻(xiàn)。

（欄目編輯 陳 潔）