热学第4章(简)

1,第4章热力学第二定律,中心内容-研究与热运动有关的过程进行的方向性问题，指出一切真实过程总是朝着熵增加的方向进行。,2,这说明，并非一切符合能量守恒定律的过程都能自发进行。对伴有热现象的任何过程，单有热一律是不够的，还须有一个指示宏观过程进行方向的规律。,问题的提出：热力学第一定律指出：满足能量守恒的任一过程都可能发生，但热机的效率不可能大于100。效率等于100的热机可否实现？,它不违反热一律，但无数事实证明，这种热机是不可能实现的。,实验发现：热量总是自发的从高温物体传向低温物体，相反过程不能自发进行。,这就是热力学第二定律。,热力学第二定律也是关于内能和其它形式能量相互转化的规律，主要用于解决与热现象有关的过程的进行方向问题，与热一律一起构成热力学的主要理论基础。,3,4.1热力学第二定律的两种表述,一、开尔文表述:(1951年),1.不可能制成一种循环热机，它只从单一热源吸收热量，使之完全转变为功，而不引起其他变化。,2.其唯一效果是热全部转变为功功的过程是不可能的。,3.不可能制成第二类永动机。（第二类永动机即为单源热机）,注意：在引起其他变化的条件下，从单一热源吸收热量，使它完全转变为功是可能的，如等温膨胀。,4,二、克劳修斯表述：(1950年),热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。,说明：外界对系统作功时，热量能从低温物体传向高温物体，如制冷机工作原理。,三、热力学第二定律的实质,1.可逆过程与不可逆过程,若用任何其它办法都不能使系统和外界完全复原，该过程为不可逆过程。,一个系统从初态A经某一过程到达末态B，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原，若每一步都可以在相反的方向进行而不引起外界的任何其它变化，则原来的过程称为可逆过程。,可逆过程特点：准静态，无摩擦。如等温膨胀。,5,一切自然过程都是不可逆的,可逆过程定是准静态过程,卡诺循环是可逆过程,是理想循环,准静态过程未必是可逆过程,孤立系的可逆过程:S=0,例1：判断正误,1、功可以全部转变为热,但热不能全部转变为功,2、热量不能从低温物体传向高温物体,3、系统经正的卡诺循环后,系统本身没有任何变化,4、不可逆过程就是不能往反方向进行的过程,6,热传导-温度不等的两个物体接触,气体的绝热自由膨胀,2.不可逆过程的几个实例功热转换-焦耳热功当量实验（功变热过程）,结论：功变热过程可以自发进行，是不可逆过程。,结论：热量可以自动地从高温物体传向低温物体，热传导是不可逆过程。,结论：气体可以自动地充满整个容器，气体的自由膨胀是不可逆过程。,热力学第二定律就是关于过程进行具有方向性的理论。,小结：实际发生的热力学过程都是不可逆的，热力学过程的一个重要特征是具有方向性。,7,3.热力学第二定律的实质,开尔文表述的实质功变热的过程是不可逆的。功可以完全变成热不引起其它变化（摩擦生热），热要完全转变成功就必然引起其他变化。,克劳修斯表述的实质热传导过程是不可逆的。自动传热的方向性是从高温物体传向低温物体。,热二律的其它表述（其它不可逆过程）气体的自发收缩是不可能的；混合气体的自发分离是不可能的。,热力学第二定律的实质一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,8,4.2热力学第二定律的微观意义和适用范围,一、热二律的微观本质热运动的无序性分子热运动的杂乱程度不同，决定其运动的无序性不同。热二律是说明大量分子的无序程度变化的规律。,1.功热转换:机械能向热能转变的过程（分子速度的有序运动向无序运动转换）。,2.热传导:热量的传递使按温度区分两个物体不可能，使大量分子的运动向更加无序状态的方向进行。,3.气体的绝热自由膨胀:气体分子整体从占据较小空间向占据较大空间转变。,结论:一切自然过程总是沿着大量分子热运动的无序性增大的方向进行.-微观本质,9,二、热二律的适用条件,1.只对大量分子的宏观过程成立由热二律的统计意义可知，只有当分子足够多时，分子全部回到一边才是不可能发生，否则，就会有“气体自动收缩”发生。,2.只适用于有限范围内的孤立系统热二律是建立在有限时间和空间范围内所考察的现象上的，不能应用于无限大的宇宙，否则会出现“热寂”状态。热寂说把宇宙看成一个“孤立系统”，认为整个宇宙必将达到温度均衡而形成不再有热量传递的所谓“热寂”状态。一切变化都将停止。从而宇宙也将死亡。,10,4.3熵增加原理,如何定量描述状态的无序性和过程的方向性？,一、熵,微观状态数/热力学概率：,熵的大小S,描述状态的无序性；熵的变化S,描述过程的方向性,玻尔兹曼熵(1877)：S,(平衡态的S最大),克劳修斯熵(1865):,11,结论：孤立系统中的过程必然朝着使熵增加的方向进行。这正指出了过程的