大学物理-27第二十七讲热力学第二定律、熵

1,第十六章 热力学第二定律,热力学第一定律说明效率大于1的第一类永动机不可能实现。符合热力学第一定律即能量守恒的过程不一定都能实现，它还要受热力学第二定律的制约。热力学第二定律指出一个实际过程进行的方向。,这里所说的过程进行的方向，是指一种自发的、无条件的、勿须外界帮助而自动进行的方向。而其相反方向的过程不能自动实现，若要实现，则必定产生“对外影响”。,2,对一过程 AB，若存在另一过程 BA，它不仅能使系统恢复原态，而且对外界的影响也完全消除，则称原过程 AB为可逆过程。,若过程 BA无法实现，或外界影响不能完全消除,则称原过程 AB 为不可逆过程。,一、可逆过程与不可逆过程,若 A B 是可逆过程，则B A也是可逆过程。,A,B,正过程+逆过程=0即对外影响全抵消,16-2 可逆过程与不可逆过程、卡诺定理,可逆过程,3,1.功热转换的不可逆性,功,热,功,热,高温,低温,2.热传导的不可逆性,自动,一切实际宏观过程都与热现象有关，因而都是不可逆的。,可逆过程是一种无耗散的理想过程。,二、热现象过程的不可逆性,4,3.气体自由膨胀过程的不可逆性,要收缩到原状需外界做功,结论：,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程.,5,2.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，其效率不可能大于可逆机的效率，即,1.在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆机，其效率都相等，与工作物质无关 ，且效率：,三、卡诺定理,实际上:,6,若能从单一热源吸热做功而不产生其它影响，则,16-1 热力学第二定律,一、热力学第二定律的两种表述,1.开尔文表述 ：在一个循环过程中，不可能只从单一热源热使之完全变为有用功而不产生其它影响。,热机,单一热源是指温度均匀且恒定不变的热源；,“其它影响”是指除从单一吸热做功之外的其它变化。,例：等温膨胀,7,效率为1的机械第二类永动机,第二类永动机是造不出来的。,热量不会自动地从低温物体传向高温物体。,热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述具有等价性。,开尔文表述的另一形式,2.克劳修斯表述,开尔文表述功变热的不可逆性。,克劳修斯表述热传导的不可逆性。,3.两种表述的意义,8,热机,4.两种表述的等价性,反证法：违反了开尔文表述也就违反了克劳修斯表述,反过来违反了克劳修斯表述也就违反了开尔文表述。,高温热源（T1）,低温热源(T2),热机,高温热源(T1),低温热源(T2),违反开尔文表述,违反了克劳修斯表述,9,热机,高温热源（T1）,低温热源(T2),热机,低温热源(T2),违反了开尔文表述,违反克劳修斯表述,由于各种自发过程的不可逆性都是相互关联的，故热力学二定律表明：一切自发过程都是不可逆的。它给出了热力学过程进行的方向、条件和限制。,10,一、热力学熵 (克劳修斯熵),熵(S)是反映热力学系统宏观状态的一个状态参量.,16-3 熵,Q为工作物质从温度为T 的热源吸收的热量.,S克劳修斯熵，或热力学熵。,等号对应可逆过程,对绝热过程，Q = 0，则,熵增加原理,11,二、熵增加原理,对绝热过程，Q = 0，则,熵增加原理,当热力学系统从一平衡态经绝热过程到达另一平衡态时，其熵永不减少。如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。,一个孤立系统的熵永不减少,孤立系统进行的过程一定是绝热过程，故,12,五、玻尔兹曼熵,玻尔兹曼对熵的定义：,k：玻尔兹曼常数,：宏观系统所包含的微观量子态数目，即热力学概率。,用玻尔兹曼熵证明熵增加原理,孤立系统内所发生的过程总是从热力学概率小的宏观态变化到热力学概率大的宏观态( 2 1 )，故,等号对应于平衡态,结论：一个孤立系统中的自发过程（不可逆过程） 总是朝着熵增加的方向进行的； 孤立系统在可逆过程中的熵不变。,13,在可逆过程中，系统处于平衡态，对应于熵（热力学概率）为极大值的状态，因而可逆过程中的熵不变。,熵增加原理实质上是热力学第二定律的一种表述。,利用熵的性质，可以判断不可逆过程进行的方向和给出系统到达平衡态的判据。,讨论,玻耳兹曼熵与克劳修斯熵实质上是完全一致的。从一种定义式出发，能够推出另一种的定义式。,熵具有可加性，即系统的熵为各部分熵的总和。,例如：一杯水作为开放系统，它不断被外界吸收热量，变成冰，它的熵就减少了。,熵增加原理只适用于孤立系统。对非孤立系统，熵可增加也可减少。,14,生命是一开放系统。其熵变由两部分组成：,Si：系统自身产生的熵，总为正值。,Se：与外界交换的熵流，可正可负。,生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断