热力学与统计物理3公开课获奖课件.pptx

同同学学们们好好J.E克劳修斯克劳修斯(1822-1888)1第1页第五节第五节 热力学第二定律热力学第二定律热力学第一定律：热力学第一定律：能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律过程凡违反热力学第一定律过程 不可能发生。不可能发生。第一类永动机不可能成功！第一类永动机不可能成功！与否凡遵从热力学第一定律过程一定发生？与否凡遵从热力学第一定律过程一定发生？功热转换功热转换热传导热传导扩散扩散.能量转换有一定方向和程度能量转换有一定方向和程度热力学第二定律：热力学第二定律：描述自然界能量转换方向和程度。描述自然界能量转换方向和程度。用否定形式表述用否定形式表述表述方式多样表述方式多样反证法反证法统计意义统计意义.特征特征2第2页一、热力学第二定律两种经典表述及其等效性一、热力学第二定律两种经典表述及其等效性一、热力学第二定律两种经典表述及其等效性一、热力学第二定律两种经典表述及其等效性 1.开尔文表述开尔文表述 (K)从热机角度（热功转换角度）阐明能量转换方向和程从热机角度（热功转换角度）阐明能量转换方向和程度度:*不也许从单一热源吸取热量使之完全转变为有用不也许从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其他影响。功而不产生其他影响。或：或：*惟一效果是热全部转换为功过程是不可能实现。惟一效果是热全部转换为功过程是不可能实现。*单热源热机是不也许制成。单热源热机是不也许制成。TQA*3第3页注意理解：注意理解：注意理解：注意理解：热力学第一定律和第二定律是相互独立。热力学第一定律和第二定律是相互独立。比较比较比较比较：第一类永动机：第一类永动机：第二类永动机：第二类永动机：不耗能，只做功不耗能，只做功违反热力学第一定律违反热力学第一定律违反热力学第二定律违反热力学第二定律4第4页热力学第二定律热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功并不意味着热不能完全转变为功关键词关键词关键词关键词：“无其它影响无其它影响”热完全转变为功热完全转变为功,而且而且系统和外界均复原是不可能。系统和外界均复原是不可能。例例例例：理想气体等温膨胀理想气体等温膨胀不违反热力学第二定律不违反热力学第二定律5第5页热力学第二定律指出了热力学第二定律指出了热功转换方向性热功转换方向性功功自发自发热热100%转换转换热热非自发非自发功功不能不能 100%转换转换 热力学第二定律与能源危机热力学第二定律与能源危机能量做功能力下降，能量品质下降。能量做功能力下降，能量品质下降。热力学第二定律热力学第二定律:热力学第一定律热力学第一定律:能量转换并守恒，何来能量转换并守恒，何来能源危机？能源危机？6第6页 2.克劳修斯表述克劳修斯表述(C)从致冷机角度（热传导角度）阐明能量转换方向和程从致冷机角度（热传导角度）阐明能量转换方向和程度：度：*热量不能自动地从低温物体传到高温物体。热量不能自动地从低温物体传到高温物体。或：或：*第二类永动机是不可能成功。第二类永动机是不可能成功。*QA=A=0 0Q7第7页注意理解：注意理解：注意理解：注意理解：热力学第二定律指出了热力学第二定律指出了热传导方向性热传导方向性高温高温自动自动低温低温低温低温非自动非自动高温高温 （外界做功）（外界做功）热力学第二定律热力学第二定律并不意味着热量不能并不意味着热量不能从低温物体从低温物体传到高温物体传到高温物体关键词关键词关键词关键词：“自动自动”即即热量热量从低温物体传到高温从低温物体传到高温物体不能在物体不能在不产生其它影响情况下自发进行。不产生其它影响情况下自发进行。例例例例：电冰箱电冰箱8第8页3.两种表述等效性两种表述等效性正定理：正定理：假如假如 K 成立，成立，C 一定成立一定成立逆定理：逆定理：假如假如 C 成立，成立，K 一定成立一定成立否定理：否定理：假如假如 K 不成立，不成立，C 一定不成立一定不成立逆否定理：逆否定理：假如假如 C 不成立，不成立，K 一定不成立一定不成立用反证法证明后两项用反证法证明后两项9第9页 假如假如 K K不成立，则存在单热源热机，建立如图所不成立，则存在单热源热机，建立如图所示联合循环，示联合循环，无其它影响，故无其它影响，故 C 不成立不成立总效果：总效果：10第10页 假如假如 C C 不成立，则存在不成立，则存在 A=0 A=0 致冷机，建立如致冷机，建立如图所示联合循环图所示联合循环总效果：总效果：无其它影响，故无其它影响，故 K 不成立。不成立。由由 ，C、K 两种表述等效。两种表述等效。11第11页4.热力学第二定律表述多样性热力学第二定律表述多样性 凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现过程都凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现过程都能够作为热力学第二定律一个表述，而且彼此等效。能够作为热力学第二定律一个表述，而且彼此等效。K，C 为为 两种标准表述两种标准表述 抓住经典过程：从热机，致冷机角度阐述。抓住经典过程：从热机，致冷机角度阐述。历史上最早提出历史上最早提出练习练习练习练习：判断正误判断正误 热量不能从低温物体传向高温物体热量不能从低温物体传向高温物体 热不能全部转变为功热不能全部转变为功12第12页二、热力学第二定律实质二、热力学第二定律实质二、热力学第二定律实质二、热力学第二定律实质1.可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程定义定义定义定义：设系统经历设系统经历过程过程为可逆过程为可逆过程为不可逆过程为不可逆过程例：例：理想气体等温膨胀可逆性分析理想气体等温膨胀可逆性分析 无摩擦，准静态进行无摩擦，准静态进行 有摩擦，准静态进行有摩擦，准静态进行 无摩擦，非静态进行无摩擦，非静态进行13第13页 无摩擦，准静态进行无摩擦，准静态进行正向：正向：逆向：逆向：总效果：总效果：外界与系统均复原外界与系统均复原原过程为可逆过程原过程为可逆过程14第14页有摩擦，准静态进行有摩擦，准静态进行正向：正向：（体积功）（体积功）（摩擦功）（摩擦功）(0)(0)逆向：逆向：(0)15第15页 由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不产生其他影响，外界不能复原。产生其他影响，外界不能复原。因此，原过程不可逆。因此，原过程不可逆。导致不可逆原因：存在摩擦导致不可逆原因：存在摩擦总效果总效果系统复原系统复原 恒温热源：恒温热源：转变为外界内能转变为外界内能 无摩擦，非静态进行无摩擦，非静态进行正向（快提）正向（快提）16第16页总效果：总效果：外界做功：外界做功：得热：得热：由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生其他影响，即外界不能复原。产生其他影响，即外界不能复原。因此，原过程不可逆。因此，原过程不可逆。导致不可逆原因：迅速进行，非静态过程。导致不可逆原因：迅速进行，非静态过程。逆向（快压）逆向（快压）17第17页摩擦（能量耗散）摩擦（能量耗散）快速（非静态）快速（非静态）只有没有摩擦准静态过程是可逆过程只有没有摩擦准静态过程是可逆过程可逆过程是对准静态过程深入理想化可逆过程是对准静态过程深入理想化可逆过程是对准静态过程深入理想化可逆过程是对准静态过程深入理想化练习：练习：判断以下说法正误判断以下说法正误 可逆过程一定是准静态过程可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程准静态过程不一定是可逆过程 不可逆过程不一定非静态不可逆过程不一定非静态 非静态过程一定不可逆非静态过程一定不可逆卡诺循环是理想可逆循环卡诺循环是理想可逆循环不计摩擦、漏气不计摩擦、漏气准静态进行准静态进行18第18页2.热力学第二定律实质热力学第二定律实质从可逆、不可逆过程角度看热力学第二定律从可逆、不可逆过程角度看热力学第二定律功功自发自发热热100%转换转换热热非自发非自发功功不能不能 100%转换转换开尔文表述：开尔文表述：克劳修斯表述：克劳修斯表述：热传导不可逆热传导不可逆高温高温自动自动低温低温低温低温非自动非自动高温（外界做功）高温（外界做功）(1)揭示一切自发热力学过程不可逆性揭示一切自发热力学过程不可逆性 时间箭头时间箭头热力学原因热力学原因？动力学原因？动力学原因？19第19页古人对时间看法古人对时间看法君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。动力学原因动力学原因君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。热力学原因热力学原因白驹过隙白驹过隙 (2)指出宏观热力学过程进行条件和方向指出宏观热力学过程进行条件和方向 溶解、扩散、生命溶解、扩散、生命 一切与热现象有关宏观实际一切与热现象有关宏观实际过程都是不可逆，其自发进行具有单向性。过程都是不可逆，其自发进行具有单向性。该定律揭示出各种运动形式存在着质差异。该定律揭示出各种运动形式存在着质差异。各种运动形式间转换存在着方向和极限。各种运动形式间转换存在着方向和极限。问题问题问题问题自然过程向什么方向进行？自然过程向什么方向进行？20第20页单向性：单向性：什么方向什么方向什么方向什么方向？功：功：与宏观定向运动相联络，有序运动与宏观定向运动相联络，有序运动热：热：与分子无规则运动相联络与分子无规则运动相联络自自动动非非自自动动 热传导热传导 高温高温低温低温差异差异无序性无序性自动自动低温低温高温高温差异差异无序性无序性非自动非自动单向性：单向性：无序性增大方向无序性增大方向无序性增大方向无序性增大方向实际自发烧力学过程都向无序性增大实际自发烧力学过程都向无序性增大实际自发烧力学过程都向无序性增大实际自发烧力学过程都向无序性增大方向进行方向进行方向进行方向进行从微观角度讨论无序性意义从微观角度讨论无序性意义自由膨胀自由膨胀 体积体积可能位置可能位置无序性无序性自动自动体积体积可能位置可能位置无序性无序性非自动非自动真空真空21第21页三、热力学第二定律记录意义三、热力学第二定律记录意义三、热力学第二定律记录意义三、热力学第二定律记录意义1.无序性量度无序性量度 热力学概率热力学概率以理想气体自由膨胀为例以理想气体自由膨胀为例设分子数：设分子数：4真空真空抽去隔板后可能情况以下列抽去隔板后可能情况以下列图表：图表：22第22页16种微观态，种微观态，5种宏观态。种宏观态。23第23页每秒放映每秒放映1亿张，（普通电影亿张，（普通电影 24/秒）秒）理想气体自由膨胀理想气体自由膨胀分子数分子数可能微观态数可能微观态数宏观态数宏观态数每种微观态出现概率每种微观态出现概率234N34524第24页等概率原理：系统每种微观态出现概率相似。等概率原理：系统每种微观态出现概率相似。由此，包括微观态越多宏观态出现概率越大。由此，包括微观态越多宏观态出现概率越大。定义：定义：宏观态中包含微观态数目叫做该宏观态宏观态中包含微观态数目叫做该宏观态热力学概率。热力学概率。意义：意义：该宏观态所包含微观态数越多，确定该宏观态所包含微观态数越多，确定系统微观态越困难，系统无序性越高。系统微观态越困难，系统无序性越高。热力学概率是系统无序程度量度。热力学概率是系统无序程度量度。比较：比较：统计学概率统计学概率 w 与热力学概率与热力学概率25第25页比较：统计学概率比较：统计学概率 w 与热力学概率与热力学概率 宏观态出现概率宏观态出现概率 W=每种微观态出现概率每种微观态出现概率 w 热力学概率热力学概率 w，W：小于：小于1；大于大于1 由等概率原理：由等概率原理：26第26页2.热力学第二定律记录意义热力学第二定律记录意义实际实际自发自发自发自发热力学过程是不可逆，总是沿着系统热力学过程是不可逆，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加方向进行。热力学概率（无序性）增加方向进行。无序性减小状态不是绝对不可能发生，而是发生无序性减小状态不是绝对不可能发生，而是发生可能性趋于零。可能性趋于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤故事故事)热力学第二定律是一种记录规律，对大量粒子热力学第二定律是一种记录规律，对大量粒子体系才故意义，对只含少数分子系统不合用。体系才故意义，对只含少数分子系统不合用。27第27页比较比较比较比较：热力学第一定律：热力学第一定律：严格成立，不能违反严格成立，不能违反热力学第二定律：热力学第二定律：统计规律，违反概率太小统计规律，违反概率太小对大量分子体系适用对大量分子体系适用练习练习练习练习：热力学第二定律经典思想方法：热力学第二定律经典思想方法：反证法反证法1.证明两条绝热线不相交证明两条绝热线不相交 设两个绝热线交于设两个绝热线交于 B，可可作一等温线与两条绝热线组作一等温线与两条绝热线组成一循环，形成单热源热机，成一循环，形成单热源热机，违反热力学第二定律。违反热力学第二定律。所以，原假设不成立，两所以，原假设不成立，两绝热线不能相交。绝热线不能相交。28第28页2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点四、卡诺定理四、卡诺定理四、卡诺定理四、卡诺定理2)在相同高温热源和相同低温热源间工作一切不可在相同高温热源和相同低温热源间工作一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机效率。逆热机，其效率不可能大于可逆热机效率。1)在相同高温热源和相同低温热源间工作一切可逆在相同高温热源和相同低温热源间工作一切可逆热机，其效率相等，与工作物质无关。热机，其效率相等，与工作物质无关。设等温线与绝热线有设等温线与绝热线有两个交点，则形成单热两个交点，则形成单热源热机，违反热力学二源热机，违反热力学二定律。定律。29第29页卡诺定理卡诺定理:=：对应可逆机；对应可逆机；：对应不可逆机：对应不可逆机 循环中高温热源最高温度；循环中高温热源最高温度；循环中低温热源最低温度；循环中低温热源最低温度；热机效率极限：热机效率极限：提升热机效率路径：提升热机效率路径：尽可能提升两热源温差。尽可能提升两热源温差。尽可能降低不可逆原因。尽可能降低不可逆原因。30第30页