大学物理热力学第二定律.ppt

1 自然过程的方向性 2 热力学第二定律 3 热力学概率 4 玻耳兹曼熵公式与 熵增加原理 5 可逆过程和卡诺定理 4 克劳修斯熵公式,热力学第二定律,1 自然过程的方向性,满足能量守恒的过程一定会实现吗？,功热转换过程具有方向性,（一）功热转换,摩擦生热机械能全部转化为热,而热全部转化为功而没有其他影响是不可能的。,焦耳实验,热机热转化为功。其他影响是向低温热源放热。,气体等温膨胀热全部转变成功,其他影响气体的体积发生变化,（二）热传导,T1T2,热量从系统1传到系统2,其反过程不会自动实现,热传导过程具有方向性。,（三）气体的绝热自由膨胀,气体绝热自由膨胀的过程具有方向性,一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方向性，其相反过程不可能自然发生,过程中系统不吸热、不作功， 内能、温度不变，唯一的变化是体积增大,实际 宏观过程按一定方向进行的规律就是 热力学第二定律,设气体的绝热自由膨胀的不可逆 性消失，则气体可自动收缩 气体的等温膨胀不可逆性也消失,因此可以用具有普遍意义的定律来表述，并且各种表述是等价的,2热力学第二定律,克劳修斯 表述： 热量不能 自动地由低温物 体传向高温物体。,开尔文表述：将热全部变成功而不产生其他影响的过程是不可能实现的。,（单热源热机是不可能制成的。）,各种自然过程的不可逆性是 相互关联、相互依存的,3 热力学概率,系统一个宏观状态 对应多个 微观状态,例如4个分子在容器中按位置的分布,某宏观态对应的微观状态数目,热力学概率 ,平衡态对应的最大,若系统初态非最大值，则处于非平衡态。 系统将向平衡态转化，最后达到的最大值，即达到平衡态自然过程的方向性,假设所有的微观状态出现的概率相同的,对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 几率最大。,(40）,宏观态,(31）,(22）,(13）,(04）,微观态,5,16,左 右,若分子数很大？,左右两侧粒子数相同时，最大,N=1023,N/2,N,n（一侧粒子数）,假设所有的微观状态出现的概率相同的,对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 几率最大。,4 玻尔兹曼熵公式与熵增加原理,非平衡态到平衡态，是自然过程进行的方向， 也可以用系统的有序度或无序度来说明 宏观状态的有序度或无序度按其所包含的微观状态数目来衡量。,因微观状态数目太大， 玻耳兹曼引入了另一量,熵：,普朗克定义,单位 J/K,一、玻尔兹曼熵公式,三、熵增加原理,一定条件下若系统可分为两部分，则热力学概率,二、熵的可加性,在孤立系中所进行的自然过程 总是沿着熵增大的方向进行。,5 可逆过程和卡诺定理,实际热过程具有方向性或不可逆性，如功变热,可逆过程,一、可逆过程 不可逆过程,X过程,若可找到一种方式使系统从B状态返回A状态时，将X过程 产生的影响全部消除，即系统和外界全部复原，则X过程 为可逆过程。,若无论用什么方式使系统从B状态返回A状态时，都不能 将X过程产生的影响全部消除，即外界不能复原，则X过程 为不可逆过程。,如何判断可逆过程？,能否找到一种方式使系统和外界还原,无摩擦的准静态过程（理想过程）是可逆过程,气体准静态膨胀时,作功A，吸热Q，内能变化,反过程：外力推动活塞使气体沿原过程的每一中间状态返回。,系统和外界复原,系统复原,无摩擦 外力作功 A= - A,1）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的一切可逆热机，其效率都相等（等于卡诺热机的效率），与工作物质无关；,可逆过程,不可逆过程,可逆循环 可逆机 不可逆循环不可逆机,二、卡诺定理,2）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的 一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的效率。,任一可逆循环，用一系列 微小可逆卡诺循环代替。,对任意热机,可逆热机,由卡诺定理,（等号对可逆机