大学物理热力学第二定律.ppt

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1、1 1 自然过程的方向性自然过程的方向性2 2 热力学第二定律热力学第二定律3 3 热力学概率热力学概率4 4 玻耳兹曼熵公式与玻耳兹曼熵公式与 熵增加原理熵增加原理5 5 可逆过程和卡诺定理可逆过程和卡诺定理4 4 克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式1 自然过程的方向性自然过程的方向性满足能量守恒的过程一定会实现吗？满足能量守恒的过程一定会实现吗？功热转换过程具有方向性功热转换过程具有方向性（一）功热转换（一）功热转换摩擦生热摩擦生热机械能全部转化为热机械能全部转化为热而热全部转化为功而而热全部转化为功而没有其他影响没有其他影响是不可能的。是不可能的。m焦耳实验焦耳实验热机热机热转化为功。热转化为

2、功。其他影响其他影响是是向低温热源放热。向低温热源放热。气体等温膨胀气体等温膨胀热全部转变成功热全部转变成功恒恒温温热热源源T其他影响其他影响气体的体积发生变化气体的体积发生变化（二）热传导（二）热传导T1T2T1T2热量从系统热量从系统1传到系统传到系统2其反过程不会其反过程不会自动自动实现实现热传导过程具有方向性。热传导过程具有方向性。（三）气体的绝热自由膨胀（三）气体的绝热自由膨胀 气体绝热自由膨胀的过程具有方向性气体绝热自由膨胀的过程具有方向性一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方向性，其相反过程不可能自然发生向性，其相反过程不可能自然发生过程中系

3、统不吸热、不作功，过程中系统不吸热、不作功，内能、温度不变，唯一的变化是体积增大内能、温度不变，唯一的变化是体积增大实际实际 宏观过程按一定方向进行的规律就是宏观过程按一定方向进行的规律就是 热力学第二定律热力学第二定律恒恒温温热热源源T设气体的绝热自由膨胀的不可逆设气体的绝热自由膨胀的不可逆性消失，则气体可自动收缩性消失，则气体可自动收缩气体的等温膨胀不可逆性也消失气体的等温膨胀不可逆性也消失因此可以用具有普遍意义的定律来表述，并且各种因此可以用具有普遍意义的定律来表述，并且各种表述是等价的表述是等价的 2热力学第二定律热力学第二定律克劳修斯克劳修斯 表述：表述：热量不能热量不能 自动地自动

4、地由低温物由低温物 体传向高温物体。体传向高温物体。开尔文表述：将热全部变成功而开尔文表述：将热全部变成功而不产生其他影响不产生其他影响的过的过程是不可能实现的。程是不可能实现的。（单热源热机是不可能制成的。）（单热源热机是不可能制成的。）各种自然过程的不可逆性是各种自然过程的不可逆性是相互关联、相互依存的相互关联、相互依存的3 热力学概率热力学概率 系统一个系统一个宏观状态宏观状态 对应对应多个多个 微观状态微观状态例如例如4个分子在容器中按位置的分布个分子在容器中按位置的分布abcd某宏观态对应的微观状态数目某宏观态对应的微观状态数目热力学热力学概率概率 平衡态对应的平衡态对应的 最大最大

5、若系统初态若系统初态 非最大值，则处于非平衡态。非最大值，则处于非平衡态。系统将向平衡态转化，最后达到系统将向平衡态转化，最后达到 的最大值，的最大值，即达到平衡态即达到平衡态自然过程的方向性自然过程的方向性假设所有的微观状态出现的概率相同的假设所有的微观状态出现的概率相同的对应微观状态数目多的宏观状态其出现的对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 几率最大。几率最大。左左 右右左左右右微观微观abcd 401abc acdabdbcddbca314abacadbcbdcdcdbdbcadacab226(40）宏观态宏观态(31）(22）(13）(04）微观态微观态14641516左左 右右若分

6、子数很大？若分子数很大？左右两侧粒子数相同时，左右两侧粒子数相同时，最大最大N=1023 N/2Nn（一侧粒子数）（一侧粒子数）假设所有的微观状态出现的概率相同的假设所有的微观状态出现的概率相同的对应微观状态数目多的宏观状态其出现的对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 几率最大。几率最大。4 玻尔兹曼熵公式与熵增加原理玻尔兹曼熵公式与熵增加原理非平衡态到平衡态，是自然过程进行的方向，非平衡态到平衡态，是自然过程进行的方向，也可以用系统的有序度或无序度来说明也可以用系统的有序度或无序度来说明宏观状态的有序度或无序度按其所包含的微观状态数宏观状态的有序度或无序度按其所包含的微观状态数目来衡量。目来

7、衡量。因微观状态数目因微观状态数目太大，太大，玻耳兹曼引入了另一量玻耳兹曼引入了另一量熵：熵：普朗克定义普朗克定义单位单位 J/K一、玻尔兹曼熵公式一、玻尔兹曼熵公式三、熵增加原理三、熵增加原理一定条件下若系统可分为两部分，则热力学概率一定条件下若系统可分为两部分，则热力学概率二、熵的可加性二、熵的可加性在孤立系中所进行的自然过程在孤立系中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向进行。总是沿着熵增大的方向进行。5 可逆过程和卡诺定理可逆过程和卡诺定理 实际热过程具有方向性或不可逆性，如功变热实际热过程具有方向性或不可逆性，如功变热可逆过程可逆过程一、可逆过程一、可逆过程 不可逆过程不可逆过程 AB

8、X过程过程若可找到一种方式使系统从若可找到一种方式使系统从B状态返回状态返回A状态时，将状态时，将X过程过程产生的影响全部消除，即产生的影响全部消除，即系统和外界全部复原系统和外界全部复原，则，则X过程过程为为可逆过程可逆过程。若无论用什么方式使系统从若无论用什么方式使系统从B状态返回状态返回A状态时，都不能状态时，都不能将将X过程产生的影响全部消除，即过程产生的影响全部消除，即外界不能复原外界不能复原，则，则X过程过程为为不可逆过程不可逆过程。如何判断可逆过程如何判断可逆过程？能否找到一种方式使系统和外界还原能否找到一种方式使系统和外界还原无摩擦的准静态过程（无摩擦的准静态过程（理想过程理想

9、过程）是可逆过程）是可逆过程热热源源气体准静态膨胀时气体准静态膨胀时作功作功A，吸热，吸热Q，内能变化，内能变化反过程：外力推动活塞使气体沿原反过程：外力推动活塞使气体沿原过程的每一中间状态返回。过程的每一中间状态返回。系统和外界复原系统和外界复原系统复原系统复原无摩擦无摩擦 外力作功外力作功 A=-A 1）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的一切）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的一切可逆热机，其效率都相等（等于卡诺热机的效率），与可逆热机，其效率都相等（等于卡诺热机的效率），与工作物质无关；工作物质无关；ABC可逆可逆可逆可逆ABC可逆可逆不可逆不可逆可逆过程可逆过程不可逆过

10、程不可逆过程 可逆循环可逆循环 可逆机可逆机 不可逆循环不可逆循环不可逆机不可逆机二、卡诺定理二、卡诺定理2）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的 一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的效率。一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的效率。任一可逆循环，用一系列任一可逆循环，用一系列微小可逆卡诺循环代替。微小可逆卡诺循环代替。对任意热机对任意热机可逆热机可逆热机由卡诺定理由卡诺定理（等号对可逆机成立）（等号对可逆机成立）6 克劳修斯克劳修斯 熵公式熵公式所有可逆卡诺循环加一起：所有可逆卡诺循环加一起：PVO分割无限小：分割无限小：12ab积分与路径无关积分与路径无关存在态函数存在态函数（1 1、2 2两态的）两态的）熵差熵差对于微小过程对于微小过程本章结束本章结束作者：李雪春作者：李雪春