2021-2022学年高二物理竞赛课件：熵增加原理与热力学第二定律

1、熵增加原理与热力学第二定律 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 . 熵增加原理与热力学第二定律六 热力学第二定律的统计意义 热力学第二定律的实质: 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 . 不可逆过程的本质 系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程 .例 今有1kg 0 C的冰熔化成0 C 的水，求其熵变（设冰的熔解热为3.35105 J/kg)。熔解过程温度不变，T=273 K假设一个（可逆）等温过程，冰从0 C 的恒温热源中吸热，则将系统和环境作为一个整体来看，在这过程中熵也是增加的；使水结成冰，同样导致系统的熵增加。解：（1）设最

2、后温度为T ，则有例 有一热容为C1、温度为T1的固体与热容为C2、温度为T2的液体共置于一绝热容器内。 （1）试求平衡建立后，系统最后的温度； （2）试确定系统总的熵变。解：总熵变： （2）假设固体的升温过程是可逆的，液体的降温过程也是可逆的，则熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少.平衡态 A平衡态 B （熵不变）可逆过程非平衡态平衡态（熵增加） 不可逆过程自发过程 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椐 .根据卡诺定理可以普遍证明：

3、以气体自由膨胀为例:宏观态:左、右各有多少分子 左 右微观态:具体分子分布 编号为（4 0）（3 1）（2 2）（1 3）（0 4）热力学第二定律的统计意义宏观态微观态14614概率 均匀分布 概率大 非均匀分布 概率小 （平衡态）（非平衡态）微观态数0123456 左 4 右 0 左 3 右 1 左 2 右 2 左 1 右 3 左 0 右 4N 若N=100，自动收缩（左100，右0）N个分子，。若改变一次微观状态历时10-9s，则所有微观状态都经历一遍要 。即30万亿年中（100，0）的状态只闪现10-9s 。的概率为10 -30。则：一般热力学系统 N的数量级约为1023，(N左)N 很

4、大 N/2N左而左右各半的平衡态及其附近宏观态的热力学概率则占总微观状态数的绝大比例。上述比例实际上是百分之百。 热力学第二定律的统计意义平衡态 最概然态非平衡态非平衡态平衡态 自发 “ 一个孤立系统其内部自发进行的过程，大的宏观态过渡”总是由热力学概率小的宏观态向热力学概率 热二律的统计意义功热：有序运动热运动热传导：速度分布无序性增加自由膨胀：空间分布无序性增加所以，自然过程（不可逆过程）总是沿着熵增加无序性增加（熵增加）的方向进行。热力学第二定律是个统计规律，它只适用于大量分子的系统。对于不可逆过程，例如：玻耳兹曼熵公式 孤立系统进行的过程 ，同时 S ， S 与 必有联系。设，由 S 的可加性求 f 的函数形式：S1, 11S2, 221、2彼此独立1+2S, S = S1 + S2 = 1 2 应有：令：可用理气等温膨胀定常量 a （不失普遍性）： VN