大学物理第9章热二定律熵.ppt

,例1功热转换的方向性,功热可以自发地进行(如焦耳实验),例2热传导的方向性,热量可以自动地从高温物体传向低温物体,但相反的过程却不能发生。,热功能否自发地进行？（如焦耳实验的逆过程）,9.4.1.热力学过程的方向性,9.4热力学第二定律熵,气体自由膨胀是可以自动进行的,但自动收缩的过程谁也没有见到过。,例3.气体自由膨胀的方向性,“一切与热现象有关的自然过程都是不可逆的，都存在一定的方向性-存在着时间箭头”,生命过程就是不可逆的:,出生,“今天的你我怎能重复过去的故事!”,童年,少年,青年,中年,老年,死亡,一个系统从初态A变为状态B，如果我们能使系统进行逆向变化，从状态B回复到初态A，而且当系统回复到初态A时，周围一切也都同时回复原状，则过程就称为可逆过程。如果系统不能回复到初态A，或系统虽然能回复到初态A，但却产生了其他效果，使周围不能同时回复原状，那么，过程就称为不可逆过程。,无摩擦的准静态过程是可逆过程。是排除了自然过程中不可逆因素的理想过程。,不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功，而不产生其他影响。,开尔文（Kelvin，1851）,1开尔文(Kelvin)表述:,=1的热机是不可能制成的,第二类永动机（单热机）不能制成,为什么叫永动机？,海水温差发电-海水能源的利用（不违背热力学第二定律）。,海水温度降低0.010C,够全世界用1000年。,若海轮上有一个单热源热机永动的海轮！,9.4.2热力学第二定律,2.克劳修斯(Clausius)表述:热量不能自动地从低温物体传向高温物体。,克劳修斯（clausius，1850）,必须有外界做功,制冷机不违背热力学第二定律，注意“自动地”三个字。,违背开尔文表述，也必违背克劳修斯表述,假定单热机是可以造成的，将它与一台制冷机联动,整体效果等效于热量自动地从低温热源传到高温热源。,违背克劳修斯表述，也必违背开尔文表述,反之，假定热量能自动地从低温热源传到高温热源，将它与热机联动，则整体等效于单热机。,自然的宏观过程的不可逆性相互依存。一种实际过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性。反之，如果一种实际过程的不可逆性消失了，则其他实际过程的不可逆性也就随之消失了。,3.热力学第一定律与热力学第二定律的关系,关系：（1）相互独立，相互补充；,（2）都是实验事实的总结，不能由其他定律导出；,（3）过程的方向服从热力学第二定律，过程本身服从热力学第一定律。,热力学第一定律要求：在一切热力学过程中，能量一定守恒。但是，满足能量守恒的过程是否一定都能实现？,热力学第二定律：自然过程的进行有方向性，满足能量守恒的过程不一定都能进行。,1.热力学第二定律的微观意义是：大量分子的运动总是沿着无序程度增加的方向发展。,（1）功热转换,（2）热传导,机械能（或电能）热能,9.4.3热力学第二定律的微观意义,（3）气体绝热自由膨胀,分子速度方向有序,更无序,“君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪？”,韶华如流，人生易老，反映的是宏观世界的命运和情感。,组成生命的各个分子、原子决不担心自己会老化，它们服从的运动规律是可逆的，对宏观世界里发生的一切漠不关心。,热学赵凯华、罗蔚茵,分子微观运动规律是可逆的，为什么热力学体系的宏观过程是不可逆的？,2.热力学概率与自然过程的方向,（以气体自由膨胀为例来说明）,（1）微观状态与宏观状态,表示左，右中各有多少个分子-称为宏观状态,表示左，右中各是哪些分子-称为微观状态,将隔板拉开后,气体自由膨胀,问题：怎样定量地描写状态的无序性和过程的方向性？,5种宏观态相应的微观态数目分布图,统计理论的“等概率”基本假设：对于孤立系统,各微观状态出现的概率是相同的。,对应微观状态数目越多的宏观态,其出现的概率越大。,总微观状态数16:各种宏观态出现的概率为(已归一)左4右0和左0右4概率各为1/16；左3右1和左1右3概率各为4/16；左2右2概率为6/16（出现概率最大）。,某一宏观态所对应的微观状态数目，叫该宏观态的热力学概率，用表示。,讨论：全部分子自动收缩到左边的宏观态出现的概率是多少？,当分子数N=NA(1摩尔)时,热力学概率为1，归一化几率为,当分子数N=4时,热力学概率为1，归一化几率为,（2）热力学概率:,左右均分的热力学概率和归一化几率为最大。,热力学第二定律（自然过程的方向性）的定量表述:,孤立系统总是从非平衡态向平衡态过渡。,自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。,两边粒子数相同时概率最大，对应于平衡态。,对应于微观状态数最多的宏观态就是系统的平衡态。,如何引入一个表示系统无序性大小的函数？,自然过程的方向性是有序无序(定性表示),小大(定量表示),3.玻耳兹曼熵公式,S=kln,玻耳兹曼,1877年玻耳兹曼引入了熵S,熵的微观意义是:系统内分子热运动的无序性的一种量度。,在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向进行。S0,(1)在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，不论用什么工质，其效率相等，即,其中“”:可逆的卡诺循环；“”:不可逆循环。,1.卡诺定理,9.4.4.克劳修斯熵公式,如何从系统的宏观状态参量的改变求出熵的变化？,(2)在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率，不可能高于可逆热机的效率，即,下面介绍克劳修斯如何引出熵的概念：,效率,（1）对于卡诺循环(是可逆循环),（-放热绝对值）,（Q20是不可逆过程，方向一定是V增大方向。,例题:证明：有限温差热传导S0。,设绝热容器中A、B两物体相接触，,证：设微小时间dt内传热dQ,A的熵变,B的熵变,系统熵变,S0的过程才是孤立系统内所发生的过程的方向，所以必有A放热B吸热。,解：（1）,例题：1kg的20oC水用100oC的炉子加热到100oC，求S水和S炉子。水的比热c4.2J/g.K。,（2）炉子是热库温度是常数,水吸的热为炉子放的热,（3）（水炉子）的熵增（孤立系统）,孤立体系内发生的不可逆过程熵永不减少。,不可逆过程,单独考虑炉子的熵可以减少（非孤立系统）,熵的物理意义,表示系统无序性的大小。,是系统状态的单值函数。,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。所以孤立系统自发过程总是向着熵增加的方向进行。,平衡态的熵最大。,在孤立系统中进行的自然过程总是沿熵增加的方向进行。这称为熵增加原理。,热力学第二律也可以表述为:,热力学第二定律小结,1.从热机的角度：第二类永动机