大学物理热力学第二定律讲义.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,9,章,热力学第二定律,第1页,热力学第一定律要求：在一切热力学过程中，能量一定守恒。,不过,，满足能量守恒过程是否一定都能实现？,实际过程进行有方向性，满足能量守恒过程不一定都能进行。,热力学第二定律就是关于,自然过程,（,不受外来干预，比如孤立体系内部过程,）,方向性,基本规律。,序言,第2页,1,、功变热,水,功,热：,重物下落,功全部变,成热,且不引发其它任何改变,水温降低，产生水流，推进叶片转动，提升重物，而不引发其它任何改变。,该过程能,“自动”发生。,功变热过程是不可逆。,逆过程不能自动发生。,该过程,不能“自动”发生。,热,功,：,一、自然过程有显著方向性,9.1,自然过程方向性,(,如摩擦生热、,焦耳试验,),第3页,有限温差两个物体相接触，热量总是,自动由高温物体传向低温物体。,相反过程不会自动发生。,当然，用致冷机可把热量由低温物体传向高温物体。,但外界必须对工作物质做功，这就引发了其它效果。,有限温差热传导不可逆。,高温热库,T,1,低温热库,T,2,A,Q,1,Q,2,工质,2,、热传导,T,H,T,L,Q,第4页,3,、气体绝热自由膨胀,气体向真空中自由膨胀过程是不可逆。,膨胀,：,能够自动进行,压缩,：,不能自动进行。,（扩散）,第5页,其它不可逆过程例子：,第6页,4.,结论,1,),自然界中,实际宏观过程都包括功变热、热传导和从非平衡态向平衡态转化。,所以，,一切与热现象相关实际宏观过程都是不可逆。,2,),宏观上与热相伴过程不可逆性是相互,沟通（依存）,。,或：各种实际宏观过程方向性都是,相互沟通,（不可逆性相互依存）,第7页,若功热转换方向性消失,热传导方向性也消失,若热传导方向性消失,功热转换方向性也消失,若理想气体绝热自由膨胀方向性消失,功热转换方向性也消失,相互沟通（相互依存）：,一个过程方向性存在,(,或消失,),，,则 另一过程方向性也存在,(,或消失,),。,第8页,二、可逆过程与不可逆过程,1.,定义：,一个系统经过一个过程,P,从一状态改变到另一状态,1,2,P,假如,存在,一个过程,使系统和外界,完全复原,则说明原过程,P,是,可逆,。不然是不可逆,判断是,原,过程,P,系统和外界,完全复原,注意,2.,只有,无摩擦准静态,过程才是,可逆过程。,第9页,可逆过程例,1,：,气体无摩擦、准静态压缩。,无摩擦,p,p+,d,p,压强差保持无限小,可逆过程例,2,：,系统,T,1,T,1,+d,T,T,1,+2d,T,T,1,+3d,T,T,2,温差无限小,“,等温,”,传热,准静态传热,可逆过程例,3,：,工质和恒温热库等温传热；,工质与外界无摩擦准静态做功。,卡诺循环。,无摩擦迟缓绝热压缩过程,快速绝热压缩,有摩擦迟缓绝热压缩过程,不可逆,第10页,一、两种表述,1.,克劳修斯,(Clisuis),表述：,热量不能,自动地,从低温,物体,传向高温,物体,（,1850,）,(,致冷机,),其,唯一,效果是热量,从低,温物体传向,高温,物体过程是,不可能,发生。,9.2,热力学第二定律,“各种宏观过程方向性相互沟通”说,明宏观过程进行遵从共同规律,-,热二律,热二律,以,否定,语言说出一条确定规律。,第11页,2.,开尔文（,Kelvin),表述,（,1851,）,：,其,唯一效果,是热全部转变成功过程是不可能发生。,(,热机,),热量,自动地,全部,转变成,功,过程是,不可能,发生。,第二类永动机,是不可能造成。,不可能从,单一热源,吸热，,使之完全变为有用功,而,不产生其它影响,。,如结合热机，开尔文说法意义是：,又称,单一热源热机,，,热量,全部转变成了功。,效率：,=1,第12页,3.,两种表述等效性,(,相互沟通,),假如第二类永动机可造出来,热量自动从低温传到高温,开氏,证,（,反证法,）,：,看联合机：,低温热源净放热,令其推进卡诺制冷机,高温热源净吸热,克氏,假如第二类永动机能造出来,唯一效果,第13页,1.,宏观状态与微观状态,宏观上看,：,A,、,B,两部分各有多少粒子,而不去区分终究是哪些粒子,微观上看,：,详细哪个粒子在哪？,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,A,B,全部分子自动退回,A,几率,？,二、统计意义（微观解释）,气体扩散 能否反向进行？,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,A,B,每个分子 给一编号,第14页,微观状态：,微观上可区分每一个分布,玻耳兹曼认为：,从微观上看，对于一个系统状态宏观描述是非常不完善，,系统同一个宏观状态实际上可能对应于非常非常多微观状态，,而这些微观状态是粗略宏观描述所不能加以区分。,第15页,微观状态（位置）,宏观状态,微观态数,左,2,，右,2,左,1,，右,3,左,0,，右,4,1,4,6,4,以,4,个分子为例：,左,4,，右,0,1,左,3,，右,1,5,16,第16页,0,1,2,3,4,5,6,4,个粒子分布,左,4,，右,0,左,3,，右,1,左,2,，右,2,左,1,，右,3,左,0,，右,4,宏观状态,第17页,2.,等几率假设,孤立系统中 每个微观态出现几率相同,对应微观态数目多宏观态出现几率大,4,个分子自动都退回,A,几率：,分布越均匀,微观态数目越多,.,第18页,微观状态（位置）,宏观状态,微观态数,左,2,，右,2,左,1,，右,3,左,0,，右,4,1,4,6,4,以,4,个分子为例：,左,4,，右,0,1,左,3,，右,1,第19页,0,5,10,15,20,N,个分子 自动都退回,A,几率：,1,2,N,在微观上认为是可能，只不过概率太小而已。在宏观上认为是不可能。,4,个粒子,5,个粒子,6,个粒子,粒子数,10,23,宏观态对应微观态数非常大,.,第20页,3.,热力学概率,(,几率,),一个宏观态对应微观态,数目叫做这一宏观态,热力学概率,宏观态 微观态,4,6,4,1,1,在很多宏观态中，,热力学概率最大宏观态是平衡态,其它态都是非平衡态。,平衡态最易出现,(,平衡态,),系统无序程度量度,第21页,4.,热,律,统计意义,自发过程方向性,如 自由膨胀,有序,无序,自然过程从热力学概率小向热力学概率大,方向进行。,孤立系统内自发过程总是,沿着使系统热力学概率增大,方向进行,讨论,1,),热,律是,包括到大量分子运动无序性改变规律，因而它是一条,统计规律,。,(,与热,律不一样,),或：孤立系统总是从非平衡态向平衡态过渡,就是从几率小宏观态向几率大宏观态进行,第22页,2,),一切自然过程总是沿着分子运动无序性增大方向进行,功变热,机械功（电功）热能,有序运动,无序运动,热传导,T,2,T,1,动能分布较有序,T,T,动能分布更无序,气体自由膨胀,位置较有序,位置更无序,第23页,三、热力学第二定律,本质,自然界中,一切与热现象相关实际宏观过程,都是不可逆。,四、卡诺定理,在相同高温热源和相同低温热源之间工作,一切热机效率,不可能大于可逆机效率。,=,，可逆机,与工作物质无关,，不可逆机,欲 ，应 并使热机尽可能靠近可逆机。,早在热力学第一和第二定律建立之前，在,研究提升热机效率过程中，,1824,年卡诺,提出了一个主要定理,(,这里只作介绍不作,证实,),，其内容是：,第24页,9.3,熵与熵增加原理,熵,(entropy),(,以,S,表示,),是一个主要,状态参量。,热力学中,以熵大小,S,描述状态,无序性,，,以熵改变,S,描述过程,方向性,。,本节将讨论熵引进、计算等问题。,第25页,一、熵定义：,S,=,k,ln,1877,年，玻耳兹曼引入,熵,(Entropy),来表示系统无序性大小。,玻耳兹曼熵公式：,S,ln,1900,年，普朗克引入系数,k,玻耳兹曼常数,熵是状态函数,与,E T P,同地位,9.3,熵与熵增加原理,第26页,一、熵定义：,S,=,k,ln,1877,年，玻耳兹曼引入,熵,(Entropy),来表示系统无序性大小。,玻耳兹曼熵公式：,S,ln,1900,年，普朗克引入系数,k,玻耳兹曼常数,熵是状态函数,与,E T P,同地位,9.3,熵与熵增加原理,系统某一状态熵值越大,宏观状态越无序,.,第27页,第28页,系统某一状态熵值越大,宏观状态越无序,.,孤立系统所进行自然过程总是有序向无序过渡,即沿着,熵增加,方向进行,只有绝热可逆过程是等熵过程,.,对于孤立系统中发生任何过程，系统熵或者增加,(,假如过程是不可逆,),，或者保持不变,(,假如过程是可逆,),.,孤立系统,自发过程方向性问题：,第29页,二、熵增加原理 热,律数学表述,孤立系统,自发过程方向性问题,可逆过程,不可逆过程,表述：,孤立系统内自发过程，熵永不降低。,孤立系统所进行自然过程总是有序向无序过渡,即沿着,熵增加,方向进行,实际一个过程还可能有,注意,:,0,第41页,卡诺定理,1,、在相同高温热源和低温热源之间工作任何工作物质,可逆机,，都含有,相同效率,。,2,、工作在相同高温热源和低温热源之间,一切不可逆热机效率都不可能大于可逆热机效率,。,这一定理指出要想提升热机效率，必须提升高温热源温度和降低低温热源温度；并使热机尽可能靠近于可逆热机。,9.4,卡诺定理,第42页,以下说法中，哪些是正确？,可逆过程一定是平衡过程,平衡过程一定是可逆,不可逆过程一定是非平衡过程,非平衡过程一定是不可逆,(A),、,(B),、,(C),、,(D),、,答案：,(A),理由：可逆过程 无摩擦准静态过程,例,第43页,例,利用热,律证实：一条等温线和一条绝热线不可能相交于两点,.,证：,假设两线可相交于两点,(,如图,),，则可组成一正循环，这个循环只有一个单热源，它把吸收热量全部转变为功即,100,，并使周围没有改变。显然，这是违反热力学第二定律，所以两条绝热线不能相交。,P,V,O,等温线,绝热线,第44页,例 试证在,p,-,V,图上两条绝热线不能相交。,p,V,A,证实 假设两条绝热线,I,与,II,在,p-V,图上相交于一点,A,，,如图所表示。,现在，在图上画一等温线，使它与两条绝热线组成一个循环。,这个循环只有一个单热源，它把吸收热量全部转变为功即,100,，并使周围没有改变。,显然，这是违反热力学第二定律，所以两条绝热线不能相交。,第45页,法二：,证：,假设两线可相交于一点,(,如图,),，则,V,1,V,2,p,1,p,2,p,3,P,V,O,绝热线,所以原假设不成立。,第46页,例,.,气体两条绝热线不能相交于两点，是因为违反,。气体等温线和绝热线不能相交于两点，是因为违,。,解：,热力学第一定律,热力学第二定律,P,V,O,绝热线,绝热线,若交于两点,则可组成一循环如图。在此循环中,Q=0,A0.,违反热。,理由：？,第47页,答案：,(A),一绝热容器被隔板分成两半，二分之一是真空，另二分之一是理想气体。若把隔板抽出，气体将进行自由膨胀，到达平衡后,(A),温度不变，熵增加。,(B),温度升高，熵增加。,(C),温度降低，熵增加。,(D),温度不变，熵不变。,理由：,自由膨胀后，,T,不变；,孤立系统内不可逆过程,S,增加,.,例,第48页,