物理 热力学基础3.ppt

*,1,1,-,2,熵,物理学,第五版,*,1,1,-,3,热力学第二定律的统计意义,物理学,第五版,*,热力学基础复习,物理学,第五版,*,物理学,第五版,1,熵概念的引入（可逆过程）,可逆卡诺循环中，热温比总和为零,.,推广到一般可逆过程,在可逆过程中，系统从状态,A,变化到状态,B,，,其热温比的积分只决定于初末状态而与过程无关,.,可知热温比的积分是一态函数的增量，此,态函数,称为,熵,(,符号为,S,）,.,1,无限小可逆过程,熵的单位,可逆过程,2,不可逆循环中，热温比总和小于零,.,推广到一般不可逆循环,2,不可逆过程的热温比,A,B,假定闭合路径如图所示，上式可写为,3,由,A,到,B,沿不可逆路径热温商的积分小于两态熵差,A,B,将可逆过程翻转，得,利用熵的积分定义式，得,4,三 熵增加原理,对于绝热过程,d,Q,=0,，,意即，,系统经一绝热过程后，熵永不减少。如果,过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程是不,可逆的，则熵的数值增加。,熵增加原理,或第二定律熵表述,将可逆过程和不可逆过程的公式结合在一起，有：,5,无序,有序,热功转换,完全,功,不,完全,热,热力学第,二,定律的,实质,：,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,.,一 热力学第二定律微观意义,6,非,自发传热,自发传热,高温物体,低温物体,热传导,非均匀、非平衡,均匀、平衡,扩散过程,自发,外力压缩,在热力学中，,序：区分度。,有序和无序的概念。,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,7,不可逆过程的统计性质,（以气体自由膨胀为例）,一个被隔板分为,A,、,B,相等两部分的容器，装有,4,个涂以不同颜色分子。,开始时，,4,个分子都在,A,部，抽出隔板后分子将向,B,部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，,4,分子在容器中可能的分布情形如下图所示：,8,分布,（宏观态）,详细分布,（微观态）,粒子总数,N,=4,1,4,6,4,1,微观态数,9,4,个分子在容器中的分布对应,5,种宏观态。,分布,（宏观态）,详细分布,（微观态）,一种宏观态对应若干种微观态。,在一定的宏观条件下，各种可能的,宏观态中哪一种是实际所观测到？,不同的宏观态对应的微观态数不同。,均匀分布对应的微观态数最多全部退回,A,边仅对应一种微观态。,10,各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。,定义,热力学几率,：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为,。,统计物理基本假定,等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。,11,如布朗运动。,热力学第二定律的统计表述,：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。,1,）,适用于宏观过程,对微观过程不适用,2,）,孤立系统有限范围,。,12,在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。,所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。,对于,10,23,个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几率的总和相比，此比值几乎或实际上为,100%,。,平衡态相应于一定宏观条件下,最大的状态。,13,二 玻耳兹曼关系式,熵,系统的熵,S,是系统的状态函数。,熵,S,是系统的可能微观状态数的量度。,熵,S,是系统分子热运动无序程度的量度。,微观状态数,14,（,2,）,熵是孤立系统的无序度的量度,.,（平衡态熵最大,.,）,（,1,）,熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述,.,15,对于孤立系统中的可逆过程，系统的熵不会变化,因而，对,于孤立系统的任意过程，熵永不减少。,当系统由状态,1,变化到状态,2,时系统的熵增量：,当系统达到平衡态时，系统的熵具有最大值。,对于孤立系统中的可逆过程，系统的熵不会变化,即,(,熵增加原理,),16,一、基本要求,1,、掌握功、热量和内能的概念，理解平衡过程。,3,、理解循环过程和卡诺循环及其效率,4,、理解热力学第二定律的不同叙述，实质；熵的概念、熵增加原理；第二定律的微观解释。理解可逆过程和不可逆过程。,2,、掌握热力学第一定律，熟练分析、计算理想气体等值和绝热过程中功、热量和内能。,17,二、基本内容,1,、功、热量、内能,(,PV,曲线下的面积，过程量,),(,过程量,),(,状态量,),1,V,2,V,1,2,P,V,dV,18,2,、热力学第一定律及其应用,+,系统吸热,系统放热,内能增加,内能减少,系统对外界做功,外界对系统做功,第一定律的符号规定,19,（,1,）,等体过程,特性 常量,过程方程,常量,2,、热力学第一定律的应用,过程曲线,20,（,2,）,等压过程,特性 常量,过程曲线,1,2,过程方程 常量,功,A,21,（,3,）,等温过程,1,2,特征,常量,过程方程,常量,内能,22,1,2,（,4,）,绝热过程,与外界无热量交换的过程,特征,绝 热,方 程,C,1,C,2,C,3,23,准静态的循环过程为闭合曲线,特征,净,功和净热量：,封闭曲线包围的面积,正,循环,逆,循环,A,B,（,5,）循环过程,24,正循环,卡诺循环,（,2,）逆循环,卡诺逆循环,25,（,3,）熵增加原理,在绝热或孤立系统中,（,4,）第二定律的统计意义,孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。,26,3,、热力学第二定律,（,1,）两种叙述及其理解,克劳修斯,“,热量不能自动的从低温物体传向高温物体,”,开尔文,“,其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能的,”,（,2,）有关概念,可逆过程与不可逆过程,27,克劳修斯熵,系统的熵,S,是系统的状态函数。,熵,S,是系统的可能微观状态数的量度。,熵,S,是系统分子热运动无序程度的量度。,=,-,可逆,T,dQ,S,S,1,2,玻尔兹曼熵,28,三、讨论,1,、系统吸热是否一定温度升高？,讨论：首先要明白,热量是热传递能量，而温度是系统热运动程度的量度。因此，系统的温度变化与热量传递无必然联系。,例等温膨胀过程,Q0,吸热，,A0,，,对外作功而内能温度保持不变,又例绝热过程,Q0,，但系统内能、温度可以变化,29,2,、对,P-V,图的研究,讨论：,由绝热过程知,(,103,),则,对,123,过程，有,（,1,）图示,103,为绝热线，试讨论,12 3,和,12 3,过程中,Q,E,和,A,的正负,30,因为 而,若,123,过程，仍有,31,（,2,）图示气体经历的各过程，其中,ad,为绝热线，图中两虚线为等温线，试分析各过程的热容量的正负,讨论：,1,）,a d,过程为绝热过程，则,2,）,b d,仍有,32,因,所以,2,）,c d,仍有,因,所以,33,（,3,）图示,ab,为等温过程，,bc,和,da,为绝热过程，判断,abcda,循环和,abeda,循环的效率高低,以上两个循环吸热（,ab,等温过程）相等，但两循环对外作功不同！所以,解：,34,讨论：,等温,绝热,1 2,过程作功多少？,1 2,过程内能增加多少？,（为什么？）,那么,1 2,过程热量的正负如何？,无法直接判断,从图上知道,（,4,）图示，试判断,12,过程中,Q,的正负,35,4,、准静态过程是否一定是可逆过程？可逆过程是否一定是准静态过程？,讨论：,所以,（,吸热！）,准静态过程不一定是可逆过程。如果准静态过程有摩擦存在，由于有热功转换的不可逆，因而该准静态过程就是不可逆过程，没有耗散的准静态过程才是可逆过程,36,可逆过程一定是准静态过程。因为如果是非静态过程是无法重复正过程的状态,四、计算,1,、,0.1mol,氧气经历图示过程，其中,3-4,为绝热过程且,T,1,=T,4,，计算各过程的,E,，,A,和,Q,解：,1 2,为等压过程,37,得,所以,2-3,等体过程,38,3-4,绝热过程,由物态方程计算,T,3,，,T,4,39,2,一定量的单原子分子理想气体，从初态,A,出发，经历如图循环过程，求,:,（,1,）,各过程中系统对外作的功、内能的变化和吸收的热量,.,（,2,）,整个循环过程系统对外作的总功及净吸热,.,（,3,）,该循环的效率,.,V,(10,-3,m,3,),1,3,1,2,p,(10,5,Pa),A,B,C,0,40,AB,解,V,(10,-3,m,3,),1,3,1,2,p,(10,5,Pa),A,B,C,0,41,BC,等容,V,(10,-3,m,3,),1,3,1,2,p,(10,5,Pa),A,B,C,0,42,CA,等压,V,(10,-3,m,3,),1,3,1,2,p,(10,5,Pa),A,B,C,0,43,V,(10,-3,m,3,),1,3,1,2,p,(10,5,Pa),A,B,C,0,44,练习、,1mol,氦气作如图循环，其中,bc,为绝热线，,ab,为等体线，,ca,为等压线，求循环效率,解：,需计算循环过程中的吸热 和放热,Q,1,，,Q,2,，先计算各点温度,由理想气体物态方程，得,45,a b,为吸热（等体过程）,c a,为放热（,等压过程,）,46,