大学物理热学3热力学第二定律剖析.ppt

* 第四章 热力学第二定律 （Second law of thermodynamics） §4.1 自然过程的方向 §4.3 热力学第二定律及其微观意义 §4.2 不可逆性的相互依存 §4.4 热力学概率与自然过程的方向 △§4.7 克劳修斯熵公式 §4.6 可逆过程 *§4.9 温熵图 *§4.10 熵与能量退降 △§4.8 熵增加原理举例 §4.5 玻耳兹曼熵公式与熵增加原理 §4.1 自然过程的方向 符合热一律的过程，不一定能在自然界发生， 例如： 重物下落，功 全部转化成热而 不产生其他变化, 可自然进行。 水冷却使叶片 旋转，从而提升 重物，则不可能 自然进行。 · · 水 叶片 重物 重物 绝热壁 焦耳热功当量实验 过程的唯一效果 能否发生 热功 转换 功 热 功 热 √ ? 热 传 导 高温 热量 低温 高温 热量 低温 √ ? 气体 扩散 分离 混合 分离 混合 √ ? 一 些 自 然 过 程 的 方 向 全部 全部 §4.2 不可逆性的相互依存 一. 定义 1.可逆过程（reversible process）： 其结果（系统和外界的变化）可以完全 （准静态、无摩擦的过程） 被消除的过程。 （其结果是系统和外界能同时回到初态）。 可逆过程必然是可以沿原路径反向进行的 一般地说，如果使外界条件改变一无穷小 量，一个过程可反向进行，那么这个过程就 是可逆的。 在 p — V 图上能画出来的过程，是否一定 是可逆过程？ 只要是准静态过程即可在 p — V 不必一定要是可逆过程。 答：不一定。 图上画出， 思考 实现可逆过程需要满足的两个条件： （1）过程必须是准静态的； （2）过程中没有摩擦、粘滞性、非弹性以及 电阻等耗散效应。 2. 不可逆过程（irreversible process）： 其结果不能完全被消除的过程。 例如： 有限温差热传导， “一切与热现象有关的实际宏观过程都不可逆” ?八宝山 “今天的你我 怎能重复 昨天的故事!” 生命过程是不可逆的： 出生 ?童年 ?少年 ?青年 ?中年 —— 不可逆！ ?老年 气体自由膨胀? 摩擦生热， 正如一首歌中唱的： 一切不可逆过程都是相互依存的。例如： 功变热而不产生其 他影响之不可逆 气体自由膨 胀之不可逆 等 价 绝热壁 A=Q Q T T 气体 证明： 任何一种不可逆过程的表述，都可作为热力学 第二定律的表述！ 设气体能 自动收缩 气体 T 否定的条件 否定的结论 可导出 A=Q T Q 循环，无变化 气体 二. 不可逆过程是相互依存的 §4.3 热力学第二定律及其微观意义 热力学第二定律是关于自然过程方向的一 一. 热力学第二定律的两种表述： 1.开氏表述（Kelvin， 1851）： 其唯一效果 是热量全部转 变为功的过程 是不可能的。 A = Q Q T 第二类 永动机 条基本的、普遍的定律， 定律层次更深的规律。 它是较热力学第一 A = Q V1 T Q V2 左图所示过程是 思考 开氏表述的另一种说法： 2.?克氏表述（clausius，1850） ： 热量不能 自动地从低 温物体传向 高温物体 Q T1（高） T2（低） 否违反热力学第二定律？ 第二类永动机不可能制成。 二. 两种表述的等价性 1.若克氏表述成立，则开氏表述亦成立。 反证法： 克氏表 述成立 开氏表 述成立 A=Q1 T1 Q1 T1 T2 Q2 等价 设开氏 表述不 成立 则克氏 表述不 成立 Q1+Q2 T2 Q2 (自证) 2.若开氏表述成立，则克氏表述也成立。 Q1 T1 A [例]. 试证明在 p — V图上任意物质的一条等温 证： 用反证法， 设等温线和绝热线能相交两次。 则如图示，可构成一个 单热源热机，从而违反热 力学第二定律的开氏表述， 故假设不成立。 线和一条绝热线不能相交两次。 类似的也可用反证法证明在 p — V图上两条 （自己证明） 绝热线不能相交。 绝热线 等温线 Q A = Q p V §4.4 热力学概率与自然过程的方向 功→热： 有序运动→热运动 热传导： 速度分布无序性增加 自由膨胀： 空间分布无序性增加 自然过程总是沿着无序性增加的方向进行。 共性？ 如何度量系统无序性的大小？ 一.热力学概率 ( thermodynamics probability ) 自发过程的方向性从微观上看是大量分子 a b c d 左