4　热力学第二定律 (3).ppt

热力学定律能量守恒定律参考答案 1 1 机械能转化为电能 2 化学能转化为机械能 3 光能转化为化学能 4 化学能转化为内能2 CD3 AB4 B5 D6 B7 A8 BD9 ABD10 1030J11 都是放热 第二次放热较多 U相同 因为p一定 T降低时 V减小 外界对气体做功 由 U W Q可知 第二次放热较多12 B13 增加 吸收14 C 4 热力学第二定律 问题 热力学第一定律告诉我们 在一切热力学过程中能量必须守恒 满足能量守恒的过程是否都能实现呢 思考与讨论 P58 结论1 热量自动地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的 结论2 扩散现象进行是有方向的 过程是不可逆的 结论3 功可以自动转化为热 但热却不能自动转化为功 通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的 结论4 气体膨胀 绝热自由膨胀 的过程是不可逆的 一 自然过程的方向 结论 无数事实告诉我们 凡是实际的过程 只要涉及热现象 如热传递 气体的膨胀 扩散 有摩擦的机械运动 都有特定方向 也就是说 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 二 热力学第二定律 热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 对克劳修斯表述的理解P59 电冰箱的内部温度比外部温度低 为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气 电冰箱工作时违反热力学第二定律吗 因为电冰箱消耗了电能 对制冷系统做了功 一旦切断电源 电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了 相反 外界的热量会自发地传给电冰箱 使其温度逐渐升高 贮藏的食品 大气 电冰箱制冷系统 做功 热传导的过程是有方向性的 这个过程可以向一个方向自发地进行 但是向相反的方向却不能自发地进行 要实现相反方向的过程 必须借助外界的帮助 因而产生其它影响或引起其它变化 热传导的方向性 热机 是一种把内能转化为机械能的装置 汽油机 柴油机 蒸汽轮机 喷气发动机等 原理 燃料燃烧产生热量Q1 高温热源 燃料中化学能转化为工作物质的内能 推动活塞对外做功W 工作物质内能变成机械能 排出废气向外界 低温热源 放热Q2 机械能与内能转化的方向性的进一步讨论 热机能流图 燃料产生的热量Q 输出机械功W 漏气热损 散热热损 摩擦热损 效率 由能量守恒定律知道Q1 W Q2热机的效率 高温热库 低温热库 Q1 Q2 对外做功 W 热机的效率小于100 就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能 总有一部分热量散发到冷凝器或大气中 机械能与内能转化的方向性的进一步讨论 热机工作时的能流分配 二 热力学第二定律 热力学第二定律的开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量 使之完全变成功 而不产生其它影响 对开尔文表述的理解P61 揭示机械能与内能转化方向性 机械能可以全部转化为内能 而内能无法全部用来做功以转换成机械能 1 两种表述是等价的 可以从一种表述导出另一种表述 两种表述都称为热力学第二定律2 对任何一类宏观过程进行方向的说明 都可以作为热力学第二定律的表述 3 热力学第二定律的意义提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性 是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律 对热力学第二定律的理解 第二类永动机 任何物体都具有内能 在地球上贮存量十分丰富的海水总质量约达1 4 1018吨 它的温度只要降低1 就能释放相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量 足够全世界使用4000年 而人类都不能利用这种 新能源 其原因是什么 是因为涉及物理学的一个基本定律 热力学第二定律 第二类永动机 1 第二类永动机 人们把想象中能够从单一热源吸收热量 全部用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机 2 第二类永动机不可能制成 表示机械能和内能的转化过程具有方向性 尽管机械能可以全部转化为内能 内能却不能全部转化成机械能 同时不引起其他变化 3 第一类永动机和第二类永动机它们都不可能制成 第一类永动机的设想违反了能量守恒定律 第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律 但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律 热力学第二定律 热力学第二定律的一种表述就是 第二类永动机不可能制成 试对热力学第一定律和热力学第二定律做一简单的评析 解析 热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础 前者对自然过程没有任何限制 只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失 反映的是物体内能的变化与热量 做功的定量关系 后者则是解决哪些过程可以自发地发生 哪些过程必须借助于外界条件才能进行 小结 热力学第二定律有常见的两种表述 提示了有大量分子参与的宏观过程 即与热现象有关的宏观过程 的方向性 第二类永动机不可能制成 热力学第二定律指出 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 与热力学第一定律一样 这个定律也是从大量的宏观观察和实验事实中总结和概括出来的 那么 从微观的角度 也就是把系统看作有大量作无规则热运动的分子组成的角度 我们又该如何分析和认识这一定律的意义呢 5 热力学第二定律的微观解释 一 有序和无序宏观态和微观态 有序和无序 个体 元素 的分布 排列 按一定要求 有序 个体 元素 的分布 排列 没有确定的要求 无序 有序和无序是相对的 宏观态和微观态 最早研究热力学第二定律微观本质的是玻尔兹曼 他指出 从微观上来看 对于一个系统的状态的宏观描述是非常不完善的 系统的同一宏观状态实际上可能对应非常非常多微观状态 而这些微观状态是粗略的宏观状态所不能加以区分的 为了理解玻尔兹曼的这意思 我们必须首先了解 什么是系统的微观状态 什么是系统的宏观状态 它们之间又存在着什么关系 以气体自由膨胀为例 一个被隔板分为A B相等两部分的容器 装有4个涂以不同颜色分子 一 有序和无序宏观态和微观态 开始时 4个分子都在A部 抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动 隔板被抽出后 由于无规则运动 4个分子中的任一个分子在任意时刻可能处于左面和右面任意一侧 于是4分子在容器中可能的分布情形如图所示 宏观态 以分子个数分类 总数 5 微观态 可能的分布方式 总数 24 16 每一种宏观态所对应的微观态数 1 4 6 4 1 较 粗略 的5种位置分布的每一种状态 较 精细 的16种位置分布的每一种分布 微观态共有24 16种可能的方式 而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1 24 1 16 一般来说 若有N个分子 则共2N种可能方式 而N个分子全部退回到A部的几率1 2N 对于真实理想气体系统N 1023 mol 这些分子全部退回到A部的几率为 此数值极小 意味着此事件永远不会发生 从任何实际操作的意义上说 不可能发生此类事件 对单个分子或少量分子来说 它们扩散到B部的过程原则上是可逆的 对大量分子组成的宏观系统来说 它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的 这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释 1 从图中可看出 与每一种宏观状态对应微观状态数是不同的 而左 右两侧分子数相等的宏观状态所对应的微观状态数最多 几点说明 3 如果一个 宏观态 对应的 微观态 比较多 就说这个 宏观态 是比较无序 2 分子总数越多 左 右两侧分子数相等 或差不多相等 的宏观状态所对应的微观状态数越多 特别重要的是 左右两侧分子数相等或差不多相等的宏观状态所对应的微观状态数之和占系统所有微观状态总数比例就很大了 4 无序意味着各处都一样 平均 没有差别 有序则相反 在一定的宏观条件下 既然有多种宏观状态 那么 哪一种宏观状态是在实际过程中可以出现的状态呢 二 热力学第二定律的微观意义 由于分子运动的无规则性 在所有微观状态中 任一微观状态出现的可能性 没有理由会比另一微观状态出现的可能性更多一些或更少一些 因此只能是各微观状态出现的可能性都相同 这样 对应微观态数多的宏观态出现的可能性就大 对容器内的气体分子来说 出现可能性最大的就是左 右各有两个分子的那个宏观状态 对于分子数很多的气体系统来说 这些 位置上均匀分布 的宏观态所对应微观态的数目 不仅绝对数很多 而且占微观态总数的百分比也很大 因此实际上出现的总是这种状态 结论 对应于微观态数最多的宏观态就是系统在一定宏观条件下最可能实现的状态 也就是我们前面所说的平衡态 等概率原理 对于孤立系统 各种微观态出现的可能性 或几率 是相等的 统计物理学的基础 这就是热力学第二定律的微观意义 绝热自由膨胀过程 非平衡态 平衡态 有序 包含微观态数少的宏观态 无序 包含微观态数多的宏观态 相反过程 在对外界不引起任何影响的条件下 其可能性极少 可能性最大 并不表示就是 一定 而且系统分子总数越小 这种 可能性 与 一定 的偏离也就越大 只有在系统分子总数很大时 这种偏离就很小 因而在实际上可以认为就是 一定 可见 热力学第二定律是一种统计规律 其微观意义也可叫统计意义 定义热力学概率 与同一宏观态相应的微观态数称为该宏观态的热力学概率 记为 为了定量说明宏观状态与微观状态的关系 对于孤立系统 与外界没有能量交换 做功或热传递 也没有物质交换 的宏观状态 可有如下结论 系统在一定条件下的平衡态对应于 为最大值的宏观状态 若系统初始时的宏观状态的 不是最大值 则必是一非平衡态 系统将向 增大的宏观状态过渡 最后达到的状态将是十分接近或等于最大值的宏观平衡态 绝热自由膨胀过程 气体分子整体从占有较小空间的初态 占有较大空间的末态 从分子运动状态来说系统更加 混乱 用物理语言说是更加 无序 了 自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行 对于孤立系统 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行 热力学第二定律的微观意义 热力学概率 是系统分子运动无序性的一种量度 热力学第二定律的统计表述 孤立系统内部所发生的热力学过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡或从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡或者随着时间的延续向着分子运动无序性增大的方向进行 对整个宇宙不适用 热力学第二定律的适用范围 1 适用于宏观过程 对微观过程不适用 如布朗运动 2 孤立系统有限范围 三 熵与 热寂 任何热力学系统总是涉及大量分子 所以系统的热力学概率 的数值很大的 为了理论表述和计算上的方便 1877年玻尔兹曼引入了一个函数S 它与 关系为 1900年 普朗克又引进比例常数k 把上式写为 玻尔兹曼常数 熵函数简称熵 对 熵 的理解 1 熵的概念最早是由克劳修斯在1865年提出 2 热力学概率是分子运动无序性的一种量度 那么 熵自然也是系统内部分子运动无序性的量度 3 关于自然过程的方向性就可以表述