清华大学自用大学物理一教学课件第十九章热力学第二定律

问题：是否符合热一律的即符合能量守恒的过程都能实现呢？,热机效率,致冷机致冷系数,19.1自然过程的方向性,1.功热转换,2.热传导,3.气体的绝热自由膨胀,一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的,19.6可逆过程和不可逆过程,可逆过程:在系统状态变化过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态,而且不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程.,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程.,可逆过程的条件,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，所谓可逆过程只是一种理想过程。,19.2不可逆过程的相互依存,各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互依存的,即一种宏观过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性。或反之，一种过程的不可逆性消失了，其它实际过程的不可逆性也就随之消失了。,19.3热力学第二定律,1开尔文说法不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化.,说明自然宏观过程进行的方向性的规律,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,永动机的设想图,2克劳修斯说法不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化.,1热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自然界过程进行的方向性.,2热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性.,证明热力学第二定律两种表述的一致性：,A,B,Q=W,如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立。,A,B,如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。,热力学第二定律的实质在于指出，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程。,无摩擦力等耗散力作功的准静态过程才是可逆过程。,证明两条绝热线不相交,设两个绝热线交于B，,可作一等温线与两条绝热线构成一循环，形成单热源热机，违反热力学第二定律。,原假设不成立，两绝热线不能相交。,证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点,设等温线与绝热线有两个交点，则形成单热源热机，违反热力学的二定律。,一切自然过程总是沿着分子的无序性增大的方向进行,功热转换,热传导,气体自由膨胀,楼塌是一个从有序到无序的过程不可收拾不可逆,一切自然过程总是沿着分子热运动无序程度增大的方向进行。,热律的微观意义,19.4热力学概率与自然过程进行的方向,对于孤立系统，各个微观状态出现的可能性是相同的。,对应于微观状态数最多的宏观状态就是系统在一定宏观条件下的平衡态,热力学概率(一个宏观状态中所包含的微观状态数)，表征一个宏观状态下分子热运动的无序程度,对孤立系统，在一定条件下的平衡态对应为最大值的宏观态,若系统最初所处的宏观状态的微观状态数不是最大值，即为非平衡态。系统将随时间的延续向增大的宏观态过渡，最终达到平衡态。,均匀分布微观状态数最大的定量说明,假设气体总分子数为N，在某一个宏观态下A室中有n个分子。这一宏观态包含的微观态数目：,两边取对数,由斯特林公式：,对微观态数求极值,解得,A、B两室分子均匀分布时的宏观态所包含的微观态数目最大。,结论：自由膨胀过程实质上是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。,19.5玻尔兹曼公式与熵增加原理,热力学第二定律表明，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，而这种不可逆性并不取决于过程本身，而是反映了始末两个状态在性质上的差异。从统计意义上来认识，这种差异表现为始末两个宏观态所包含的微观态数目不同，并直接决定了过程进行的方向。,引入反映热力学系统状态的一个态函数熵（）,单位：JK-1,玻尔兹曼的墓碑,为了纪念玻尔兹曼给予熵以统计解释的卓越贡献，他的墓碑上寓意隽永地刻着这表示人们对玻尔兹曼的深深怀念和尊敬.,尼加拉瓜曾发行一套10枚特种邮票改变地球面貌的十大公式：,原始人计数规则,毕达哥拉斯勾股定理,阿基米德杠杆原理,纳皮尔对数,牛顿万有引力,麦克斯韦电磁波方程,齐奥尔科夫斯基火箭飞行原理,爱因斯坦质能公式,德布罗意物质波波长,玻耳兹曼关系式：,熵是组成系统的微观粒子的无序性（即混乱度）的量度。,设某一热力学系统由n个子系统组成，子系统的热力学概率分别为1、2、n,根据概率论的乘法原理，有,结论：熵具有可叠加性。,物理意义,2）熵是系统无序性大小的量度,例卡诺定理,(1)在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率.,(2)工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率.,19.7克劳修斯熵公式,熵的热力学定义：,由可逆卡诺机可知,结论：可逆卡诺循环中，热温比总和为零.,任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成.,一微小可逆卡诺循环,对所有微小循环求和,时，则,结论:对任一可逆循环过程，热温比之和为零.,熵是态函数,可逆过程,A,B,C,D,可逆过程,在可逆过程中，系统从状态A变化到状态B，其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无关.据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称为熵.,热力学系统从初态A变化到末态B，系统熵的增量等于初态A和末态B之间任意一可逆过程热温比（）的积分.,无限小可逆过程,熵的单位,可逆过程,熵变的计算,（1）熵是态函数，与过程无关.因此,可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变.,（2）当系统分为几个部分时，各部分的熵变之和等于系统的熵变.,例：熔冰过程微观状态数增大.1kg,0的冰在0时完全熔化成水.已知冰在0时的熔化热=334J/g.求冰经过熔化过程的熵变,并计算从冰到水微观状态数增大到几倍.,解：冰在0时等温熔化,可以设想它和一个0的恒温热源接触而进行可逆的吸热过程,因而,熵的微观定义式,由此得,例：热水熵变。把1kg,20的水放到100的炉子上加热,最后达到100,水的比热是4.18103J/(kgK).分别求水和炉子的熵变Sw,Sf.,解：水在炉子上被加热的过程,由于温差较大而是不可逆过程.为了计算熵变需要设计一个可逆过程。,和每一热库接触的过程，熵变都可求出，因而整个升温过程，有,由于熵变与水是怎样加热的过程无关,这一结果也就是把水放在100的炉子上加热到100时水的熵变。,炉子在100供给水热量Q=cm(T2-T1).这是不可逆过程,考虑到炉子温度未变,设计一个可逆等温放热过程来求炉子的熵变,即有,例：气体熵变1mol理想气体由初态(T1,V1)经过某一过程达到末态(T2,V2),求熵变.设气体的CV,m为常量。,由上两式可得,解：,例：焦耳实验熵变.计算利用重物下降使水温度升高的焦耳实验中当水温由T1升高到T2时水和外界(重物)总的熵变。,解：把水和外界(重物)都考虑在内,这是一个孤立系内进行的不可逆过程为了计算此过程水的熵变,可设想一个可逆等压(或等体)升温过程,则对这一过程,有,因为T2T1,所以水的熵变S2-S10.重物下落之势机械运动,熵不变,所以水的熵变也就是水和重物组成的孤立系统的熵变。结果说明这一孤立系统在这个不可逆过程中总的熵是增加的。,例求热传导中的熵变.,设在微小时间内，从A传到B的热量为.,同样，此孤立系统中不可逆过程熵亦是增加的.,熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少.,孤立系统不可逆过程,孤立系统可逆过程,孤立系统中的可逆过程，其熵不变；孤立系统中的不可逆过程，其熵要增加.,熵增加原理成立的条件:孤立系统或绝热过程.,熵增加原理的应用：给出自发过程进行方向的判据.,热力学第二定律亦可表述为：一切自发过程总是向着熵增加的方向进行.,证明理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆的.,在态1和态2之间假设一可逆等温膨胀过程,不可逆,END,注意：,熵是一个态函数。熵的变化只取决于初、末两个状态，与具体过程无关。,熵具有可加性。系统的熵等于系统内各部分的熵之和。,克劳修斯熵只能用于描述平衡状态，而玻耳兹曼熵则可以用以描述非平衡态。,一、熵与能量二、熵与时间三、熵与生命四、熵与信息五、熵与社会,熵概念的推广,一、熵与能量热律：能量守恒热律：能量转化能力,能量的品质,引力能,电势能,机械能,核能,太阳能,化学能,地热能,海水热能,宇宙微波背景辐射能,1）退化的能量是与熵成正比的；,3）每利用一份能量，就会得到一定的惩罚-把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。,2）自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。,二、熵与时间,数学家史蒂芬指出：至少存在三个时间箭头将过去和将来分开,三个箭头所指方向一致,三、熵与生命,开放系统：,有序度增加从一种有序到更高级的有序,成熟阶段,维持一种有序,有序度下降生物系统在短期内或局部熵积累过多病态,称负熵流,从物理学的角度看治疗的目的在于消除积熵薛定谔说：生命赖负熵以存在玻耳兹曼说：生物为了生存而作的一般斗争既不是为了物质也不是为了能量而是为了熵而斗争生物从外界吸收负熵是以更大范围的熵增为代价的,耗散结构,（1）宇宙真的正在走向死亡吗？实际宇宙万物，宇宙发展充满了无序到有序的发展变化.,（2）生命过程的自组织现象生物体的生长和物种进化是从无序到有序的发展.,（3）无生命世界的自组织现象云、雪花、太阳系、化学实验、热对流、激光等.,（和外界有能量交换和物质交换的系统叫开放系统）,（4）开放系统的熵变,