热学热力学第二定律.pptx

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1、用否定形式表述表述方式多样反证法统计意义热力学第二定律特点一.热力学第二定律的两种典型表述及其等效性1.开尔文表述 （K)（开尔文勋爵.英.W.汤姆孙.18241907）从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度:*不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。*单热源热机是不可能制成的*唯一效果是热转变为功的过程是不可能实现的。或：第1页/共31页或：TQA*违反热力学第二定律，是不可能实现的。巨轮不断吸收海水，提取其内能，将其变成冰块，再抛入海中。就可以持续航行了。第2页/共31页注意理解以下四点：（1）热力学第一定律和第二定律是互相独立的。比较：第一类永动机第二类

2、永动机违反热力学第二定律不耗能，只做功违反热力学第一定律第3页/共31页练习热力学第一定律表明：1.系统对外做功不可能大于系统从外界吸热；2.系统内能增量一定等于系统从外界吸热；3.不可能存在这样的循环，在其循环过程中外界对系统做的功不等于系统传给外界的热量；4.热机效率不可能等于1。答案：3热力学第二定律表明：1.系统对外做功不可能大于系统从外界吸热；2.系统内能增量一定等于系统从外界吸热；3.不可能存在这样的循环，在其循环过程中外界对系统做的功不等于系统传给外界的热量；4.热机效率不可能等于1。答案：4第4页/共31页（2）热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功关键词：“无其它影响”热

3、可以完全转变为功，但是系统和外界均复原是不可能的。例：理想气体等温膨胀不违反热力学第二定律第5页/共31页（3）热力学第二定律指出了热功转换的方向性功自发热100%转换热非自发功不能 100%转换（4）热力学第二定律与能源危机随着其使用过程，能量再做功的能力下降，能量品质下降能源危机。热力学第二定律：热力学第一定律：能量转换并守恒，何来能源危机？第6页/共31页从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和限度。2.克劳修斯表述（C)（德.R.克劳修斯.18221888）*热量不能自动地从低温物体传到高温物体。或：*第二类永动机是不可能成功的。QA=0Q*第7页/共31页注意理解以下两点：（2

4、）热力学第二定律指出了热传导方向性高温自动低温低温非自动高温 （外界做功）（1）热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体关键词：“自动”即热量从低温物体传到高温物体不能自发进行，不能不产生其它影响。例：电冰箱第8页/共31页3.两种表述的等效性正定理：如果 K 成立，C 一定成立逆定理：如果 C 成立，K 一定成立否定理：如果 K 不成立，C 一定不成立逆否定理：如果 C 不成立，K 一定不成立用反证法证明后两项1）如果 K不成立，则存在单热源热机，建立如图联合循环，无其它影响，故 C 不成立总效果：第9页/共31页2）如果 C 不成立，则存在 A=0 的致冷机，建立如图联合循环

5、总效果：无其它影响，故 K 不成立。由 1），2），C、K 两种表述等效。第10页/共31页4.热力学第二定律表述的多样性凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等效。K，C 为 两种标准表述 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。历史上最早提出练习：判断正误（1）热量不能从低温物体传向高温物体（2）热不能全部转变为功第11页/共31页二.热力学第二定律的实质1.可逆过程和不可逆过程定义：设系统经历过程为可逆过程为不可逆过程例：理想气体等温膨胀的可逆性分析（1）无摩擦，准静态进行（2）有摩擦，准静态进行（3）无摩擦，非静态进行第12页/共31页（

6、1）无摩擦，准静态进行正向：逆向：总效果：外界与系统均复原原过程为可逆过程TT第13页/共31页（2）有摩擦，准静态进行正向：（体积功0）（摩擦功0）逆向：(0)第14页/共31页由热力学第二定律，不能使热完全转变为功而不产生其它影响，所以外界不能复原。原过程不可逆造成不可逆的原因：存在摩擦总效果系统复原摩擦功转变为热向外界逸散（3）无摩擦，非静态进行正向（快提）气体分子来不及均匀分布第15页/共31页由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生其它影响，即外界不能复原造成不可逆的原因：快速进行，非静态过程逆向（快压）总效果外界做功：得热：第16页/共31页可逆过程是对准静态过程的进一步理

7、想化卡诺循环是理想的可逆循环：不计摩擦、漏气，准静态进行。只有无摩擦的准静态过程是可逆过程摩擦（能量耗散）快速（非静态）可逆热力学过程一定是准静态过程准静态过程一定是可逆过程不可逆过程就是不能向相反的方向进行凡有摩擦的过程一定是不可逆的可逆过程一定是平衡过程平衡过程一定是可逆的不可逆过程一定是非平衡的非平衡过程一定是不可逆的练习.判断正误第17页/共31页2.热力学第二定律的实质功自发热 100%转换热非自发功 不能 100%转换（向低温热源放热）开尔文表述：克劳修斯表述：热传导不可逆高温自动低温低温非自动高温（外界做功）从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律做功、传热、溶解、扩散、生命 一

8、切与热现象有关的宏观实际过程都不是严格无摩擦、准静态的，所以都是不可逆的，其自发进行具有单向性.第18页/共31页单向性：什么方向？1）功：与宏观定向运动相联系，有序运动 热：与分子无规则运动相联系自动非自动2）热传导：高温低温差别无序性自动低温高温差别无序性非自动单向性：无序性增大的方向实际自发热力学过程都向无序性增大的方向进行3）自由膨胀：体积可能位置无序性自动体积可能位置无序性非自动真空第19页/共31页例：三个粒子：a,b,c,位于同一容器中，设粒子处于左半（A)和右半（B)各为一种状态，求可能出现的占据方式和分布。ABabc三、热力学第二定律的统计意义1.无序性的量度热力学概率从微观

9、角度讨论无序性的意义第20页/共31页可能出现的占据方式（微观态）：8种ABW12345678abcabcabcacbbcaabcbaccab可能的分布（宏观态）：4种一.二.三.四.3/83/81/81/8每种微观态出现概率相同，每种宏观态出现概率不相同。第21页/共31页每种微观态出现概率相同等概率原理包括微观态多的分布出现概率大，包括微观态最多的分布，出现概率最大最概然分布讨论最概然分布的意义：当粒子数足够多时，实际上所观察到的宏观态最概然分布。真空设分子数：4抽去隔板后的可能情况如下表：第22页/共31页a.b.c.da.b.c.da.b.c.da.b.c.a.b.c.b.c.db.c

10、.dc.d.ac.d.ad.a.bd.a.ba.ba.bc.dc.db.da.cb.da.cb.ca.db.ca.daabbccdd真空抽去隔板微观态宏观态16种微观态，5种宏观态。第23页/共31页每秒放映1亿张，（普通电影 24/秒）推广：理想气体自由膨胀分子数可能微观态数宏观态数每种微观态出现概率234N345第24页/共31页由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。当粒子数足够多时，实际上所观察到的宏观态最概然分布。定义：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意义：该宏观态所包含的微观态数越多，确定系统的微观态越困难，系统无序性越高。热力学概率是系统无序程度的量度第25

11、页/共31页比较：统计学概率 W 与热力学概率 宏观态出现的概率 W=每种微观态出现的概率 w 热力学概率 w，W：小于1；：大于1 由等概率原理：相互关系第26页/共31页2.热力学第二定律的统计意义实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加的方向进行。热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤的故事)第27页/共31页比较：热力学第一定律：严格成立，不能违反热力学第二定律：统计规律，违反的概率极小对大量的分子体系适用练习：热

12、力学第二定律的典型思想方法：反证法1.证明两条绝热线不相交设两个绝热线交于 B，可作一等温线与两条绝热线构成一循环，形成单热源热机，违反热力学第二定律原假设不成立，两绝热线不能相交第28页/共31页2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点原假设不成立设等温线与绝热线有两个交点，则形成单热源热机，违反热力学的二定律3.自学 P665 例二 卡诺定理证明2)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的效率。1）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其效率相等，与工作物质无关。第29页/共31页卡诺定理:=：对应可逆机；：对应不可逆机 循环中高温热源的最高温度；循环中低温热源的最低温度；热机效率的极限：提高热机效率的途径：尽量提高两热源的温差；尽量减少不可逆因素：耗散、非静态。第30页/共31页感谢您的观看！第31页/共31页