高中化学选修四.ppt

热力学第二定律热力学第二定律熵是一种世界观 世界世界观观是人是人们对们对整个世界及人与世整个世界及人与世界关系的界关系的总总的看法和根本的看法和根本观观点点 人人们们首先形成的是首先形成的是对对于于现实现实世界各世界各种具体事物的看法和种具体事物的看法和观观点。久而久之，点。久而久之，人人们们逐逐渐渐形成了关于世界的本形成了关于世界的本质质、人和、人和客客观观世界的关系等世界的关系等总总的看法和根本的看法和根本观观点，点，这这就是世界就是世界观观。一般。一般说说来，人人都有自来，人人都有自己的世界己的世界观观，并以此来，并以此来观观察察问题问题和和处处理理问题问题。运运动动量守恒量守恒笛卡儿笛卡儿宇宙是上帝宇宙是上帝创创造的一台机器，造的一台机器，对对万能的上万能的上帝而言，帝而言，这这台机器一定是一旦启台机器一定是一旦启动动就永无就永无休止的运休止的运动动，这这需要运需要运动动量守恒做保量守恒做保证证活力守恒活力守恒惠更斯惠更斯莱布尼莱布尼兹兹英国物理学家英国物理学家汤汤姆姆逊逊（即开（即开尔尔文）文）德国物理学家克德国物理学家克劳劳修斯修斯 违违背背热热力学第一定律的力学第一定律的过过程不可能程不可能发发生生不不违违背背热热力学第一定律的力学第一定律的过过程不一定都程不一定都可以可以发发生生初步初步结论结论:此所此所谓谓：覆水：覆水难难收收 人们通过大量观察、实验，概括出热现象的另一自然规律，即热力学第二定律 不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）外界需对系统作功，就属“其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。一一.自然过程的方向性自然过程的方向性 不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化%的热机称为第二类永动机 开尔文另一表述为：第二类永动机是不可能造成的。它并不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律 统计意义上的热力学第二定律统计意义上的热力学第二定律分布分布详细分布详细分布14641开始时，开始时，4 4个分子都在个分子都在A A部，抽出隔板后分子将向部，抽出隔板后分子将向B B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4 4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：分子在容器中可能的分布情形如下图所示：微观态共有微观态共有2 24 4=16=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4 4个分个分子全部退回到子全部退回到A A部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/21/24 4=1/16=1/16 一般来说，若有一般来说，若有N N个分子，则共个分子，则共2 2N N种可能方种可能方式，而式，而N N个分子全部退回到个分子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N.对于对于真实理想气体系统真实理想气体系统10102323/mol/mol，这些分子这些分子全部退全部退回到回到A A部的几率为部的几率为 对单个分子或少量分子来说，它们扩散到对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B B部部的过程原则上是可逆的。但对大量分子组成的的过程原则上是可逆的。但对大量分子组成的宏观系统来说，它们向宏观系统来说，它们向B B部自由膨胀的宏观过程部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。实际上是不可逆的。热力学第二定律所表达的不可逆性质实际上是这样一种统计必然性：对于一个不受外界影响的孤立系统，其内部发生的任何过程，总是从几率小的状态向几率大的状态进行。这就是热力学第二定律的统计意义 熵是热力学系统中几率或无序度的量度，几率越大，无序度越高则熵越大。所以孤立系统中一切实际过程是向着熵增加的方向进行。二二.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义系统处于该宏观态时的熵系统处于某一宏观态的热力学概率（即该宏观态所含微观态的数目）玻耳兹曼常量三三.表述为熵增加的热力学第二定律表述为熵增加的热力学第二定律 熵这个物理量它是根据热力学第二定律熵这个物理量它是根据热力学第二定律确定的一个新的状态函数确定的一个新的状态函数 熵是反映任何系统在微观层次上的熵是反映任何系统在微观层次上的无序程无序程度度的，微观无序度增加，熵就增加的，微观无序度增加，熵就增加 熵可以通过测量系统的温度和热能来确定熵可以通过测量系统的温度和热能来确定熵，但我们更关心的是熵，但我们更关心的是熵的变化熵的变化 可以证明：任何物理过程中各个参与者的可以证明：任何物理过程中各个参与者的总熵必定是要么增加要么保持不变；熵不会减总熵必定是要么增加要么保持不变；熵不会减少这就是少这就是熵增加原理熵增加原理。不可逆过程可逆过程取取 孤立（或绝热）系统内部所发生的过程不可逆时，其熵增加；所发生的过程可逆时，其熵不变。四四.热力学第二定律之能源与环境热力学第二定律之能源与环境 熵的增加是能量退化的量度，自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程 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。退化的能量，实际上就是环境污染的代名词，节约能源就是保护杯境，而保护环境就是保护人类的生存条件。交通工具交通工具人人公里公里/升升私家小私家小轿车轿车（平均乘坐（平均乘坐1.15人）人）7商商业业航空航空飞飞机机14合伙用合伙用车车（平均乘坐（平均乘坐4人）人）25公共汽公共汽车车32城市城市间间火火车车60步行步行178*自行自行车车642*将食物的卡路里数折合成汽油的容积将食物的卡路里数折合成汽油的容积感冒：起因感冒：起因-运动或劳累过后，身体消耗大量能量，运动或劳累过后，身体消耗大量能量，产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相安无事。安无事。但如此时或吹风、或着凉但如此时或吹风、或着凉皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱多化学反应开始混乱-使人头痛、发烧、畏寒畏冷、使人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力。抵抗力减弱全身无力。抵抗力减弱.人因此感冒了人因此感冒了.,皮肤感到过凉，皮肤感到过凉，此信息传到大脑的调温中心此信息传到大脑的调温中心-丘脑，进行调温以暖丘脑，进行调温以暖中医说中医说:内有虚火内有虚火,外感风寒外感风寒.西医说西医说:感冒了感冒了,有炎症有炎症.物理学家说物理学家说:如何治疗呢如何治疗呢?中医说中医说:西医说西医说:物理学家说物理学家说:发汗清热发汗清热.退热消炎退热消炎积熵过剩积熵过剩.消除积熵消除积熵.癌症癌症:由于各种原因由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度致使体内某一部分的混乱度大幅度增长大幅度增长.以致破坏了细胞再生时的基因密码的有以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传序遗传,细胞无控制地生长细胞无控制地生长,产生毒素产生毒素,进一步破坏人进一步破坏人体的有序体的有序,直到熵趋近无穷大直到熵趋近无穷大-死亡到来死亡到来.改革开放的正确性：热二定律告诉我们，一个孤改革开放的正确性：热二定律告诉我们，一个孤立的社会系统，由于自身的不可逆过程（能源、交通、立的社会系统，由于自身的不可逆过程（能源、交通、犯罪等），熵将趋于极大，信息量极小，没有生机、犯罪等），熵将趋于极大，信息量极小，没有生机、贫穷落后。贫穷落后。耗散结构告诉我们，一个开放的社会，通过输入耗散结构告诉我们，一个开放的社会，通过输入入能源、信息、新技术，输出自已的产品、技术等，入能源、信息、新技术，输出自已的产品、技术等，才能使社会在更高层次保持有序。才能使社会在更高层次保持有序。五五.宇宙的未来宇宙的未来 19世纪后半期，克劳修斯和开尔文世纪后半期，克劳修斯和开尔文等人，把热力学第二定律应用于整个等人，把热力学第二定律应用于整个宇宙，得出宇宙，得出“宇宙热寂说宇宙热寂说”在这种状态下，由于所有可能的在这种状态下，由于所有可能的核反应过程都已完结，因此，所有的核反应过程都已完结，因此，所有的恒星都会毁灭，而且不会再有新的恒恒星都会毁灭，而且不会再有新的恒星产生。星产生。这确实是一种悲观的令人绝望的看法，这确实是一种悲观的令人绝望的看法，但现在还没有证据说热力学第二定律不能适但现在还没有证据说热力学第二定律不能适用于整个宇宙新的自然科学正在试图消除用于整个宇宙新的自然科学正在试图消除宇宙热寂说宇宙热寂说吴国盛科学的历程 现代宇宙学家认为，宇宙的膨胀有可能现代宇宙学家认为，宇宙的膨胀有可能消解宇宙热寂说。宇宙的膨胀会破坏温度均消解宇宙热寂说。宇宙的膨胀会破坏温度均衡过程。可以证明，即使热力学系统一开始衡过程。可以证明，即使热力学系统一开始就处于热平衡状态，由于整体的膨胀，也会就处于热平衡状态，由于整体的膨胀，也会出现温度差。出现温度差。“热寂说热寂说”是哲学上长期争论不休的一个是哲学上长期争论不休的一个问题，也是物理学上无法直接验证的问题。问题，也是物理学上无法直接验证的问题。熵也许不仅只有（现在我们看到的）热熵也许不仅只有（现在我们看到的）热力学这一种。力学这一种。换句话说，过去我们看到了不同形态的换句话说，过去我们看到了不同形态的能量的存在，现在我们又看到了不同形态熵能量的存在，现在我们又看到了不同形态熵的客观存在。热力学熵也许仅仅是熵的一种的客观存在。热力学熵也许仅仅是熵的一种形态。形态。六六.熵是一种世界观熵是一种世界观 在自然世界的庞大工厂里，熵原理起在自然世界的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定着整个企业的着经理的作用，因为它规定着整个企业的经营方式和方法，而能仅仅是充当会计，经营方式和方法，而能仅仅是充当会计，平衡贷方和借方平衡贷方和借方-R.Emden热力学第一定律热力学第一定律-能能热力学第二定律热力学第二定律-熵熵哪一个哪一个重要重要？高中语文第六册：高中语文第六册：熵：一种新的世界观熵：一种新的世界观-里夫金里夫金 霍华德霍华德宇宙的未来宇宙的未来-霍金霍金数学与文化数学与文化-齐民友齐民友高中语文读本第六册：高中语文读本第六册：关于怎样学科学的一些意见关于怎样学科学的一些意见-杨振杨振宁宁时间的形象时间的形象-柯文尼柯文尼 海菲海菲尔德尔德人和宇宙人和宇宙-奥奥辛廷斯基辛廷斯基相对论时空观与非欧几何相对论时空观与非欧几何德布罗意的物质波德布罗意的物质波柏拉图两个世界的观点柏拉图两个世界的观点数学的逻辑性数学的逻辑性基础量的定义基础量的定义公理的方法公理的方法提供了一种思维的方法与模式提供了一种思维的方法与模式提供了一种思维和理性的标准提供了一种思维和理性的标准世界观世界观：决定论与概率论决定论与概率论线性与非线性线性与非线性谢谢各位，再见！谢谢各位，再见！