热力学第二定律微观解释.pptx
《热力学第二定律微观解释.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《热力学第二定律微观解释.pptx(44页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、一个“妖精”,神通广大,能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A,B两部分,并在隔板上安装一个阀门,当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气体,按照热的动力论,一定的温度对应于分子的一定的平均温度,因为气体分子的运动具有随机性质,有的分子的速度将大于平均值,有的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀门,让快的分子从B 进入A,慢的分子从A进入B,结果不须消耗能量,B 部分的温度就下降,A部分的温度就上升,热量可以自发地从低温物体流向高温物体。第1页/共44页一般的解释是:妖精必须得到一些“知识”,才能把“快
2、”分子和“慢”分子区分开来。为了获得这些信息,要不要消耗能量?如果需要,则容器、气体、隔板、妖精作为封闭系统,为得到所要信息所需的能量,将不大于因利用这一信息而消耗的能量,并没有违反热力学第二定律。麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗?第2页/共44页自发过程总是从有序到无序演化但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发展,酶,就是生命中的麦克斯韦的妖精;而人类全体作为麦克斯韦的妖精,增加着社会的有序度。毕竟,“妖精”,用通俗的话说,是个生物,也是个信息系统,“妖精”就是对宇宙演化的一种抗争。第3页/共44页热力学第二定律的热力学第二定律的微观解释微观解释第4页/共44页 热力学第一定律给出了各种形
3、式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律,但并未限定过程进行的方向。凡符合热一律的过程凡符合热一律的过程-即符合能量守恒的过程是即符合能量守恒的过程是否都能实现呢?否都能实现呢?实验表明,自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。一、自然过程的方向性一、自然过程的方向性热传导过程 例如:气体的绝热自由膨胀过程。这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的,相反方向的过程不能自动发生,或者说,如果可以发生,则必然引起其它后果。第5页/共44页 热力学第一定律无法对这类问题作出解释,需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律,即热力学第二定律来解释。二、热力学第二定律二、热力学第二定
4、律 不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成有用的功而不产生其他影响。功可以完全变热,但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。1.1.开尔文表述 以热机为例,热机的循环除了热变功外,还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源,即产生了其它效果。第6页/共44页热全部变为功的过程也是有的,如,理想气体等温膨胀。但这时引起了其它的变化。开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性高温热源高温热源T1=0第二类永动机(单热机)不第二类永动机(单热机)不能制成。能制成。第二类第二类永动机永动机第7页/共44页高温
5、热源高温热源T1低温热源低温热源T2 与之相应的经验事实是,当与之相应的经验事实是,当两个不同温度的物体相互接触时,两个不同温度的物体相互接触时,热量将自动地由高温物体向低温热量将自动地由高温物体向低温物体传递,而不可能自发地由低物体传递,而不可能自发地由低温物体传到高温物体。温物体传到高温物体。如果借助制冷机,当然可以把热量由低温传递到高温,但要以外界作功为代价,也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。2、克劳修斯表述、克劳修斯表述 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。第8页/共44页1.从开尔文表述入手从开尔文表述入手假定单热机是可以假定单热机是可以造成
6、的,则造成的,则高温源低温源Q 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 3、两种表述是统一的、两种表述是统一的2.从克劳修斯表述入手从克劳修斯表述入手 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 高温热源高温热源T1 假定热量能假定热量能自动地从低温源自动地从低温源传到高温源,则传到高温源,则单热机也能造成。单热机也能造成。热力学过程是有方向性的。热力学过程是有方向性的。第9页/共44页2.2.可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过程方向性问题,引入程方向性问题,
7、引入可逆过程可逆过程的概念。的概念。一个系统,由一个状态出发经过某一过程达到另一个系统,由一个状态出发经过某一过程达到另一状态,如果存在另一个过程,它能使系统和外界完一状态,如果存在另一个过程,它能使系统和外界完全复原(即系统回到原来状态,同时消除了原过程对全复原(即系统回到原来状态,同时消除了原过程对外界引起的一切影响)则原来的过程称为外界引起的一切影响)则原来的过程称为可逆过程可逆过程;单摆运动:一个单摆,如果不受空气阻力及其它摩擦单摆运动:一个单摆,如果不受空气阻力及其它摩擦力,当它离开某一位置后,经过一个周期又回到原来力,当它离开某一位置后,经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变
8、化。的位置而周围一切都无变化。反之,如果物体不能回复到原来状态或当物体回反之,如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响,则原复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响,则原来的过程称为来的过程称为不可逆过程不可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。第10页/共44页单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在在隔板被抽去的瞬间,气体聚集在左半部,隔板被抽去的瞬间,气体聚集在左半部,这是一种非平衡态,此后气体将自动膨这是一种非平衡态,此后气体将自动膨
9、胀充满整个容器。最后达到平衡态。其胀充满整个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。可能自动发生。A 在热现象中,可逆过程只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明,经验和事实表明,自然界中真实存在的过程都是按一自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的,都是不可逆的。定方向进行的,都是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由热量总是自动地由高温物体传向低温物体,从而使两物体温度相同,达高温物体传向低温物体,从而使两物体温度相同,达到热平衡。从未发
10、现其反过程,使两物体温差增大。到热平衡。从未发现其反过程,使两物体温差增大。第11页/共44页可逆传热的条件是:系统和外界温差无限小,即等温热传导。气体的迅速膨胀过程是不可逆的。气体的迅速膨胀过程是不可逆的。但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时,它但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时,它却是可逆的。却是可逆的。结论:1 1)一切自发过程都是不可逆过程。)一切自发过程都是不可逆过程。2 2)准静态过程(无限缓慢)准静态过程(无限缓慢)+无摩擦的过程是可逆过无摩擦的过程是可逆过程。程。3)一切实际过程都是不可逆过程。)一切实际过程都是不可逆过程。可逆过程是一种理想的极限,只能接近,绝不能真正达
11、到。因为,实际过程都是以有限的速度进行,且在其中包含摩擦,粘滞,电阻等耗散因素,必然是不可逆的。第12页/共44页可逆过程是理想化的过程。可逆过程是理想化的过程。强调:强调:不可逆过程不是不能逆向进行,而是说当过程不可逆过程不是不能逆向进行,而是说当过程逆向进行时,逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正逆向进行时,逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。过程的痕迹完全消除。l 热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一定的方向进行的,是不可逆的,相反方向的过程不定的方向进行的,是不可逆的,相反方向的过程不能自动发生,或者说,如果可以发生,则必
12、然引起能自动发生,或者说,如果可以发生,则必然引起其它后果。其它后果。开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。热力学第二定律的实质在于指出:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。第13页/共44页1.1.有序和无序有序和无序有序:只要确定了某种规则,符合这个规则的就叫做有序。有序:只要确定了某种规则,符合这个规则的就叫做有序。无序:不符合某种确定规则的称为无序。无序:不符合某种确定规则的称为
13、无序。无序意味着各处都一样,平均、没有差别,有序则相反。无序意味着各处都一样,平均、没有差别,有序则相反。有序和无序是相对的。有序和无序是相对的。2.2.宏观态和微观态宏观态和微观态宏观态:符合某种规定、规则的状态,叫做热力学系统的宏观态。宏观态:符合某种规定、规则的状态,叫做热力学系统的宏观态。微观态:在宏观状态下,符合另外的规定、规则的状态叫做这个微观态:在宏观状态下,符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。宏观态的微观态。系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。大小。如果一个如果一个“宏观态宏观态”对应的
14、对应的“微观态微观态”比较多,就说这比较多,就说这个个“宏观态宏观态”是比较无序的,是比较无序的,同时也决定了宏观过程的方向性同时也决定了宏观过程的方向性从有序到无序。从有序到无序。3.3.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义第14页/共44页分布分布(宏观态)(宏观态)详细分布详细分布(微观态)(微观态)14641不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质(以气体自由膨胀为例)(以气体自由膨胀为例)一个被隔板分为A A、B B相等两部分的容器,装有4 4个涂以不同颜色分子,下图是分布情况。第15页/共44页第二定律的统计表述第二定律的统计表述(依然看前例)(依然看前例)4 4个分子
15、在容器中的分布对应个分子在容器中的分布对应5 5种宏观态。种宏观态。分布分布(宏观态)(宏观态)详细分布详细分布(微观态)(微观态)16各种分布的状态总数 分布的可能状态数分布几率分布几率1/164/166/164/161/16第16页/共44页 熵与热力学概率熵与热力学概率 玻耳兹曼关系式玻耳兹曼关系式 热力学热力学概概率(微观状态数)率(微观状态数)、无序度、混乱度无序度、混乱度.分布几率分布几率1/164/166/164/161/16“熵熵”(用用S S表示表示)是德国物理是德国物理学家克劳修斯在学家克劳修斯在18501850年创造的年创造的一个术语,他用熵来表示任何一一个术语,他用熵来
16、表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。种能量在空间分布的均匀程度。玻耳兹曼证明了玻耳兹曼证明了熵熵S S与与微观微观态数目(分布几率态数目(分布几率)之间的关之间的关系,普朗克把它写成系,普朗克把它写成 热力学第二定律的热力学第二定律的微观意义微观意义:一切自然过程总是沿着无序性增一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。大的方向进行。第17页/共44页 熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的状态决定。熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序(混乱混乱)程度的定量程度的定量量度。量度。S=K
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 热力学第二定律 微观 解释
限制150内