一道考查能源与可持续发展的中考题引发的思考

徐荣

摘 要：能源与可持续发展影响全球，引导学生关注能源具有重大意义。笔者从一道中考题出发，思考了命题中能源与热力学第二定律有关的注意点。

关键词：能源；热力学第二定律；中考题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）1-0045-2

能源对人类社会的可持续发展具有十分重要的意义，以此为背景的中考题能引导师生关注能源与能量。但在命题时若表述不严密，也会带来一点问题。

1 发现问题

原题 （2015年江苏南京卷第9题）关于能源与可持续发展，下列认识正确的是（ ）

A.核燃料是可再生能源

B.太阳能电池是将太阳能转化为内能的装置

C.能量的转化和转移是有方向的

D.能量在转化或转移的过程中，总量会减少

本题给的标准答案是C，可是该选项的表述与课本及《课程标准》上的表述有所偏差。课本讲“能量的转移和转化的方向性”时强调：自然状态下或自然界中许多自发的过程，能量的转化和转移是有方向的。C选项截取了后半句，不免有些断章取义。《课程标准》则要求知道“能量的转化和转移有一定的方向性”，其中的“一定”也体现了这种方向是有条件的。其实，这里的“方向性”指的是单向性（或不可逆性），为什么要对这个“方向”加上“一定”的条件呢？

2 热力学第二定律

科学家将研究热量和内能的热学与研究做功和机械能的力学相结合，形成热力学。能量守恒定律是热力学第一定律，但它未解决能量转换过程中的方向、条件和限度，这恰恰是由热力学第二定律所规定的。

热力学第二定律（熵增加原理）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。因此，不能简单认为热不能由低温物体传到高温物体，而是在不允许引起其他变化的条件下，热不能由低温物体传到高物体。如若允许引起其他变化的话，热是可以由低温物体传到高温物体的。

另一种理解，不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。何为熵呢？熵常用S表示，它的定义是：一个系统的熵的变化ΔS=ΔQ/T。当系统吸收热量时，ΔQ为正；当系统放出热量时，ΔQ为负。这里我们定义的是熵的变化，而不是熵本身的值。

熵为什么能描述实际过程的单向性特征呢？以热传递过程为例，内能只能自发地从高温物体转移给低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。设高温物体的温度为T1，低温物体的温度为T2。在能量从高温物体转移到低温物体的过程中，高温物体的熵变为ΔS1=-ΔQ/T1，低温物体的熵变为ΔS2=+ΔQ/T2，总系统熵变为ΔS=ΔS2+ΔS1=ΔQ/T2 -ΔQ/T1。由于T1>T2，所以总熵变ΔS>0。这表明，在热传导过程中系统的熵增加了，反之系统的熵减少。自然界的实际过程表明，只有熵增加的过程才能自发发生。于是，人们可通过熵变来判断某个过程（包括物理过程、化学过程、生命过程、宇宙演化过程等）能否发生。

但热力学第二定律并没有说，熵减少的过程不可能发生，而是说这样的过程不可能自发发生。在产生其他影响的情况下，熵减少也能实现。例如：电冰箱或制冷空调机在外界消耗电功的情况下，内能从低温物体转移给高温物体，高温物体吸收热量，此时熵减少，局部过程并没有遵循方向性。不过，为了使某个熵减少的过程甲发生，必须另外附加一个同时发生熵增加的过程乙。而且，在过程乙中熵的增加量大于过程甲中熵的减少量。于是，过程甲与过程乙的总系统内总熵仍然是增加的。

3 教学启示

虽然本章内容在中考考查中分数不多，但在能量转移和转化的方向性教学中，我们应该尊重课本的描述，将“自然状态下”“自发”等条件讲清楚；同时，课本中所列举的例子都有内能，教学中要让学生知道我们在能量转化或转移过程中利用能量的这个过程，总会有一部分能量转化成内能散失到环境中，无法自动转化为其他形式的能量。即非内能与内能之间的转换具有方向性，非内能转变为内能的效率可以是100%，而内能转变成非内能时效率则小于100%。这种规律制约着自然界能源的演变方向，对人类的生产、生活影响巨大，也正是能源危机的主要原因。

总之，能源问题事关人类社会的今后发展。课堂上我们中学物理教师应该用自己的智慧和行动为全球的能源问题做出一点点力所能及的贡献。带动我们的学生认识能源问题、感触能源危机、开发新能源，并带着这种意识去面对以后的学习和生活，甚至为全球的能源问题作出巨大的贡献。

（栏目编辑 陈 洁）