熵和热力学第二定律课件

一、系统11-1某些单向过程大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。与其比邻的环境称为外界与外界有E

交换，无m

交换②封闭系统：①开放系统：

与外界有m、E

交换③孤立系统：与外界无E、m

交换绝热例开放系统封闭系统孤立系统一、系统11-1某些单向过程大量粒子组成的宏观、有限的体系1系统状态变化——热力学过程二、不可逆过程在系统状态变化的过程中，不能由于外界的微小变化使之反向进行，或者虽然可以反向进行但必然会引起其他变化的过程，叫不可逆过程。功热转换热传导扩散…...能量转换有一定方向和限度系统状态变化——热力学过程二、不可逆过程在系统状态变化的过程2熵假设：如果在孤立系统中发生一个不可逆过程，系统的总熵S总是增加的。三、熵宏观角度定义(克劳修斯公式)微观状态数(玻尔兹曼公式)熵和能量不同，它不遵守守恒定律，一个孤立系统的能量是守恒的，它总是保持不变。对不可逆过程，孤立系统的熵总是增加的。熵假设：如果在孤立系统中发生一个不可逆过程，系统的总熵S总是3一、熵变的定义11-2熵的改变终态final

初态initial

二、熵变的计算(熵)状态参量(熵)和过程无关设计可逆过程求解宏观角度定义(克劳修斯公式)一、熵变的定义11-2熵的改变终态final初态i4三、熵为态函数代入：（热力学第一定律）对任一可逆过程，理想气体，有：（内能）（做功）（状态方程）熵变与气体在始末态之间所经历的过程无关三、熵为态函数代入：（热力学第一定律）对任一可逆过程，理想511-3热力学第二定律如果一个过程发生在孤立系统中，对不可逆过程，系统的熵增加；对可逆过程，系统的熵不变。系统的熵永远不会减少。不可逆过程可逆过程热力学第二定律熵增加原理自发过程只有按系统熵值增加的方向才能发生。11-3热力学第二定律如果一个过程发生在孤立系统中，611-4现实世界中的熵:热机热机（热发动机），是一种从外界以热量形式吸收能量并做有用功的装置。一、卡诺热机理想热机，所有的过程都是可逆的，并且没有由于诸如摩擦和湍流造成能量的消耗。卡诺，法国科学家和工程师。卡诺热机－卡诺循环11-4现实世界中的熵:热机热机（热发动机），是一种从外界7等温绝热净功二、卡诺热机分析功：熵变：效率：等温绝热净功二、卡诺热机分析功：熵变：效率：8第二类永动机—效率等于100％的热机—完美热机。b.(开尔文表述)不可能存在一系列过程，其唯一效果是以热量形式从单一热源传出能量，并将这些能量全部转换为有用功而不引起其他变化。a.第二类永动机不可能制成。三、热力学第二定律第二类永动机—效率等于100％的热机—完美热机。b.(开尔文9实际热机效率更低。理论实际车55％25％核电厂40％30％热量是由于两物体的温差而造成的从一个物体传给另一个物体的能量。功是由于在两物体间作用的力而从一个物体传给另一个物体的能量。实际热机效率更低。理论实际车55％25％核电厂40％30％热10制冷机：将能量从低温热源传到高温热源的装置。理想制冷机，所有的过程都是可逆的，并且没有由于诸如摩擦和湍流造成能量的消耗。卡诺制冷机制冷效率11-5现实世界中的熵:制冷机制冷机：将能量从低温热源传到高温热源的装置。理想制冷机，所有11完美制冷机a.热量不可能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其他变化。（热力学第二定律的克劳修斯表述）与热现象有关的一切实际宏观过程都是不可逆的。热现象的过程所遵守的基本规律：满足能量守恒，热力学第一定律。2.具有方向性和局限性，热力学第二定律。完美制冷机a.热量不可能自动地从低温热源传到高温热源而不引起1211-6实际热机的效率假定：即：得：记为：11-6实际热机的效率假定：即：得：记为：13当都在相同的两个温度之间工作时，没有一台实际的热机能具有比卡诺热机更高的效率。有结论：结论和热力学第二定律矛盾，由此断定假定有误当都在相同的两个温度之间工作时，没有一台实际的热机能具1411-7热力学第二定律和熵的微观意义一、宏观状态和微观状态以理想气体自由膨胀为例设分子数：4真空抽去隔板后的可能情况如下表：11-7热力学第二定律和熵的微观意义一、宏观状态和微观状1516种微观态，5种宏观态。同态数(宏观状态包含的微观状态数W)1464116种微观态，5种宏观态。同态数(宏观状态包含的微观状态数W16微观状态数占宏观状态总数的比例P如果分子数为N,A侧有n个分子这一宏观状态包含的微观状态数是：总微观状态数：微观状态数占宏观状态总数的比例P如果分子数为N,A侧有17分子总数越多，则A、B两侧分子数相等或接近相等的宏观状态所包含的微观状态数目所占微观状态总数的比例也越大，对于包含1023量级分子数的实际气体来说，这一比例几乎是百分之百。分子总数越多，则A、B两侧分子数相等或接近相等的宏观状态所包18对于孤立系统，每个微观状态出现的可能性是相同的。包含微观状态最多的宏观状态就是系统在这一宏观状态下的平衡态。如：气体自由膨胀是由非平衡态向平衡态转变的过程，从微观上讲，就是由包含微观状态少的宏观态向包含微观状态多的宏观态进行的过程。相反的过程，在没有外界影响的条件下是不可能发生的。这就是气体气体自由膨胀过程的不可逆性的微观实质。对于孤立系统，每个微观状态出现的可能性是相同的。包含微19二、热力学第二定律的微观意义在孤立系统内部所发生的过程，总是由包含微观状态数目少的宏观态向包含微观状态数目多的宏观态进行。（热力学第二定律）任一宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的热力学概率W。在孤立系统内部所发生的过程，总是由热力学概率小的宏观态向热力学概率大的宏观态进行。（热力学第二定律）二、热力学第二定律的微观意义在孤立系统内部所发生的过20热力学概率是分子运动无序性的一种量度。宏观状态的热力学概率宏观状态的包含微观状态数目分子运动（变化性）无序性大多大小少小在孤立系统内部所发生的过程，总是沿着无序性增大的方向进行（热力学第二定律）。热力学概率是分子运动无序性的一种量度。宏观状态的热力学概率211)任一宏观状态都具有一定的热力学概率W，因而也就具有一定的熵，所以熵是热力学系统的状态函数。2)由于热力学概率W的微观意义是分子无序性的一种量度，而熵S

与lnW成正比，所以熵的微观意义就在于，它也是分子运动无序性的量度。三、熵的微观意义玻尔兹曼熵公式1)任一宏观状态都具有一定的热力学概率W，因而也就具有一定22一、系统11-1某些单向过程大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。与其比邻的环境称为外界与外界有E

交换，无m

交换②封闭系统：①开放系统：

与外界有m、E

交换③孤立系统：与外界无E、m

交换绝热例开放系统封闭系统孤立系统一、系统11-1某些单向过程大量粒子组成的宏观、有限的体系23系统状态变化——热力学过程二、不可逆过程在系统状态变化的过程中，不能由于外界的微小变化使之反向进行，或者虽然可以反向进行但必然会引起其他变化的过程，叫不可逆过程。功热转换热传导扩散…...能量转换有一定方向和限度系统状态变化——热力学过程二、不可逆过程在系统状态变化的过程24熵假设：如果在孤立系统中发生一个不可逆过程，系统的总熵S总是增加的。三、熵宏观角度定义(克劳修斯公式)微观状态数(玻尔兹曼公式)熵和能量不同，它不遵守守恒定律，一个孤立系统的能量是守恒的，它总是保持不变。对不可逆过程，孤立系统的熵总是增加的。熵假设：如果在孤立系统中发生一个不可逆过程，系统的总熵S总是25一、熵变的定义11-2熵的改变终态final

初态initial

二、熵变的计算(熵)状态参量(熵)和过程无关设计可逆过程求解宏观角度定义(克劳修斯公式)一、熵变的定义11-2熵的改变终态final初态i26三、熵为态函数代入：（热力学第一定律）对任一可逆过程，理想气体，有：（内能）（做功）（状态方程）熵变与气体在始末态之间所经历的过程无关三、熵为态函数代入：（热力学第一定律）对任一可逆过程，理想2711-3热力学第二定律如果一个过程发生在孤立系统中，对不可逆过程，系统的熵增加；对可逆过程，系统的熵不变。系统的熵永远不会减少。不可逆过程可逆过程热力学第二定律熵增加原理自发过程只有按系统熵值增加的方向才能发生。11-3热力学第二定律如果一个过程发生在孤立系统中，2811-4现实世界中的熵:热机热机（热发动机），是一种从外界以热量形式吸收能量并做有用功的装置。一、卡诺热机理想热机，所有的过程都是可逆的，并且没有由于诸如摩擦和湍流造成能量的消耗。卡诺，法国科学家和工程师。卡诺热机－卡诺循环11-4现实世界中的熵:热机热机（热发动机），是一种从外界29等温绝热净功二、卡诺热机分析功：熵变：效率：等温绝热净功二、卡诺热机分析功：熵变：效率：30第二类永动机—效率等于100％的热机—完美热机。b.(开尔文表述)不可能存在一系列过程，其唯一效果是以热量形式从单一热源传出能量，并将这些能量全部转换为有用功而不引起其他变化。a.第二类永动机不可能制成。三、热力学第二定律第二类永动机—效率等于100％的热机—完美热机。b.(开尔文31实际热机效率更低。理论实际车55％25％核电厂40％30％热量是由于两物体的温差而造成的从一个物体传给另一个物体的能量。功是由于在两物体间作用的力而从一个物体传给另一个物体的能量。实际热机效率更低。理论实际车55％25％核电厂40％30％热32制冷机：将能量从低温热源传到高温热源的装置。理想制冷机，所有的过程都是可逆的，并且没有由于诸如摩擦和湍流造成能量的消耗。卡诺制冷机制冷效率11-5现实世界中的熵:制冷机制冷机：将能量从低温热源传到高温热源的装置。理想制冷机，所有33完美制冷机a.热量不可能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其他变化。（热力学第二定律的克劳修斯表述）与热现象有关的一切实际宏观过程都是不可逆的。热现象的过程所遵守的基本规律：满足能量守恒，热力学第一定律。2.具有方向性和局限性，热力学第二定律。完美制冷机a.热量不可能自动地从低温热源传到高温热源而不引起3411-6实际热机的效率假定：即：得：记为：11-6实际热机的效率假定：即：得：记为：35当都在相同的两个温度之间工作时，没有一台实际的热机能具有比卡诺热机更高的效率。有结论：结论和热力学第二定律矛盾，由此断定假定有误当都在相同的两个温度之间工作时，没有一台实际的热机能具3611-7热力学第二定律和熵的微观意义一、宏观状态和微观状态以理想气体自由膨胀为例设分子数：4真空抽去隔板后的可能情况如下表：11-7热力学第二定律和熵的微观意义一、宏观状态和微观状3716种微观态，5种宏观态。同态数(宏观状态包含的微观状态数W)1464116种微观态，5种宏观态。同态数(宏观状态包含的微观状态数W38微观状态数占宏观状态总数的比例P如果分子数为N,A侧有n个分子这一宏观状态包含的微观状态数是：总微观状态数：微观状态数占宏观状态总数的比例P如果分子数为N,A侧有39分子总数越多，则A、B两侧分子数相等或接近相等的宏观状态所包含的微观状态数目所占微观状态总数的比例也越大，对于包含1023量级分子数的实际气体来说，这一比例几乎是百分之百。分子总数越多，则A、B两侧分子数相等或接近相等的宏观状态所包40对于孤立系统，每个微观状态出现的可能性是相同的。包含微观状态最多的宏观状态就是系统在这一宏观状态下的平衡态。如：气体自由膨胀是由非平衡态向平衡态转变的过程，从微观上讲，就是由包含微观状态少的宏观态向包含微观状态多的宏观态进行的过程。相反的过程，在没有外界影