《热学》课件0303自然过程的方向

3.3.1自然过程的方向3.3.2热力学第二定律3.3.3热力学第二定律及其微观意义3.3.4热力学概率热力学第二定律的统计解释3.3.5熵3.3自然过程的方向01自然过程的方向

所有热力学过程——遵守热力学第一定律满足第一定律的过程——不一定都能实现热力学系统进行的方向性摩擦力做的功

——可以全部转变成热

热机吸的热

——不能全部转变为对外做功热量

——能够自动从高温物体传向低温物体热量

——不能自动从低温物体传向高温物体一切与热现象有关的实际过程——都具有方向性和限度1功热转换——摩擦力做的功可以全部转变成热转轴和飞轮自动地冷却——不能进行——飞轮转动飞轮的动能克服转轴摩擦力作功摩擦力做功转变为转轴和飞轮的内能内能转变为飞轮的动能飞轮转动起来

——摩擦力做功全部变热的过程不可逆——2热传导——热量总是自动从高温物体传向低温物体——不能进行——两个物体接触热量自动传向低温物体两个物体达到热平衡热量自动地从低温物体传向高温物体——热量自动从高温物体传向低温物体的过程不可逆——3真空中气体的绝热自由膨胀——真空中气体的绝热自由膨胀的过程不可逆的————不能进行——气体自动地压缩恢复原来的状态不可逆的相互依存

摩擦力做功可以全部转变成热——不可逆

热量能够自动从高温物体传向低温物体——不可逆

气体真空中绝热自由膨胀——不可逆不可逆性过程具有相互依赖性！一种不可逆性消失，其它的不可逆性也随之消失!

摩擦力做功可以全部转变成热——不可逆不可逆性消失——热可以全部转变对外做功设计一种装置G——从热库T0吸收Q全部用于对外做功将该功用于搅拌水中的叶片水的内能增加水的温度升高将假想的装置G、转轴和叶片看作成一个整体从热库T0吸收Q全部用于水的内能增加——温度升高——热量能够自动从低温热库传到高温系统——

热量能够自动从高温物体传向低温物体——不可逆消失不可逆性消失——热量自动从低温传向高温物体假想装置G——使热量Q2从低温热库自动传向高温热库卡诺热机一次循环对外做功

热量能够自动从高温物体传向低温物体——不可逆从高温热库吸热

Q1向低温热库放热Q22)将卡偌热机和G看作一个整体——低温热源不变系统从单一高温热库吸热，对外做功

摩擦力做功可以全部转变成热——不可逆消失

理想气体绝热自由膨胀——不可逆不可逆性消失——气体可以自动收缩设计一种热库与理想气体侧壁绝热的气缸底部接触(a)1)气缸中气体从热库吸热Q

作等温膨胀对外做功A=Q(b)2)气体自动收缩到原来体积(c)

摩擦力做功可以全部转变成热——不可逆消失02热力学第二定律1热力学过程的方向性所有热力学过程都遵守热力学第一定律但满足热力学第一定律的过程不一定都能实现

2热力学第二定律

克劳修斯表述(1850年)热量不能自动地从低温物体传向高温物体

开尔文表述(1851年)其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能的03热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行

热功转换功转变成热——机械能转变为内能的过程有序(定向)运动的分子与无序(随机)运动分子之间的碰撞——机械能转变热运动动能——有序到无序——可以自然发生飞轮的动能转变为内能

热传导热传导——两个不同温度物体接触，热量自动从高温物体传向低温物体，最后两个物体的温度相同。——分子之间无序运动的平均动能的交换以平均动能区分两个物体中分子无序运动平均动能不同——较为有序状态平均动能相同——更加无序状态有序到无序——可以自然发生

理想气体绝热自由膨胀——气体从占有空间较小的状态变化到占有较大空间的状态以分子分布的空间位置来标志大量分子无序性占有空间较小——较为有序状态占有空间较大——较为无序状态有序到无序——可以自然发生04热力学概率一个实际的热力学过程总是沿着一定的方向进行各个宏观状态存在着某种本质差别，决定了热力学系统过程进行的方向！!!玻耳兹曼——从微观上来看，对一个系统状态的宏观描述是很不完善的。一个宏观状态实际上可能对应着非常多个微观状态。这些微观状态是粗略的宏观描述所不能加以区别的。

热力学系统的微观态数

4个分子构成的系统——容器分为体积相等的A和B微观态：微观上可区别一种分配方式(分子位置和速度)宏观上：确定的只是分子数的分布和速度的分布

4个分子在A和B中共有分配方式——每一种分布对应一种微观态——16种微观态对应5种宏观态

分子位置分配方式——微观态——分子数目分布方式——宏观态——一种宏观态对应微观态数目ABAB

abcd0401abcd314abdcacdbbcdaabcd226cdabacbdbdacadbcbcadabcd134bcdacdabdabc0abcd041A和B中分子数相同对应的微观态数最多20个分子构成的系统分子数目的分布方式——宏观态——一种宏观态对应的微观态数目AB

2001182190155155041191679601010184756911167960515155042181900201在A和B中共有分配方式A和B中分子数相同对应的微观态数最多20个、1000个和6×1023个分子系统：A和B中分子数相等时——微观态数具有极大值微观态数

与

A

中分子数的关系

热力学概率——一个宏观状态对应的微观态数微观态数最多的宏观态：热力学概率最大，系统进行到最后的平衡态不同宏观态对应的微观状态数不同——热力学概率不同

1mol

气体，N=6.23×1023，计算分子全部出现在A或B

的概率(微观态数和宏观态数都为1)

分子全部出现在A或B的概率观察2N次——这个微观态出现一次如果每秒观察108次观察年！次1年观察05熵——数目非常巨大宏