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热力学二定律(简化基础版)
可逆过程和不可逆过程比较 可逆过程: 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化. 不可逆过程: 在不引起其他变化的条件下, 不能使逆过程重复正过程的每一状态 , 或者虽然重复但必然会引起其他变化. 注意: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过程的痕迹完全消除。 一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。 可逆过程的熵:孤立系统进行可逆过程时熵不变。 △S = 0 (孤立系,可逆过程) 可逆过程中,系统总处于平衡态,对应的热力学概率为极大值。无外界干扰时,极大值不变。 §9.7 克劳修斯熵公式 熵和系统的宏观状态参量之间有何关系?如何从系统宏观量的改变求出熵的变化? 体现了熵的微观意义 玻尔兹曼熵公式: 问题 一、克劳修斯熵公式 当作一系统发生一可逆的微元过程时,熵的增量为: 对于有限的过程,系统经可逆过程由平衡态1到平衡态2时,其熵的变化为: 1、熵是状态量。系统熵变只取决于始末状态,与中间过程无关。 注意 2、利用克劳修斯熵公式 计算熵变时,积分路线必须是连接始末态的任一可逆过程。若是不可逆过程,则必须设计一个可逆过程。 3、玻耳兹曼熵公式与克劳修斯熵公式的区别与联系 玻耳兹曼熵公式 表示了系统的某一宏观状态所对应的微观状态数。在一定条件下的宏观状态可以有多个。 克劳修斯熵公式 只对应于系统的平衡状态。是玻耳兹曼熵的最大值。可从以玻耳兹曼熵公式中推导出来。 推导:从玻耳兹曼熵公式中推导出克劳修斯熵公式 对玻耳兹曼熵公式 求微分,得到对任一系统的一个微元过程: 对可逆过程,一个系统和外界可通过做功和热传递交换能量。 可逆过程中,系统的微观状态数的增大只和系统吸收的热量成正比,即: 同时,系统的微观状态数和温度T成正比,即 对可逆过程有: 可以证明,对可逆过程 —克劳修斯熵公式 二、克劳修斯不等式 对于不可逆过程,由于存在一个不可逆因素,在外界和系统交换能量的过程中,会引起系统的微观状态数的额外增加,因而有: (不可逆过程) 对有限的不可逆过程,有: ——克劳修斯不等式,是不可逆过程的热力学第二定律的表示式 总结 根据克劳修斯公式和不等式, 可对熵和过程的关系作以下讨论: 对于孤立系统中进行的可逆过程,由于dQ = 0,就总有:dS =0 如果孤立系统中进行了不可逆的实际过程,由于dQ = 0 ,就总有:dS 0 对于任意系统的可逆绝热过程,由于dQ = 0,所以也有:△S =0 任何系统的可逆绝热过程都是等熵过程! 三、热力学基本关系式 由热一律: 可逆过程有: 根据克劳修斯公式: ——结合热力学第一定律和第二定律的热力学基本关系式,常用于求过程熵变。 四、利用克劳修斯公式计算熵变的方法 利用克劳修斯熵变公式 计算熵变时,关键在于求过程中的热量(吸热或放热)。 ① 恒温过程 由于T不变,可直接用 计算。 其中,Q可以是相变热,也可以是气体等膨胀或压缩过程中放出(或吸收)的热量 。 吸热熵变为正,放热熵变为负。 ② 变温过程 利用热容关系求出dQ 与T 之间的关系 液体与固体: 其中,c为物体比热 气体等压过程: 其中, 气体等容过程: 其中, 将 dQ 的表达式代入克劳修斯熵公式 对过程进行积分求解即可。 ③ 任意过程(气态) 利用热力学基本方程求解熵变。 感冒:起因---运动或劳累过后,身体消耗大量能量,产生大量废热(体内熵大增)如能迅速排除,人相安无事。 但如此时或吹风、或着凉,皮肤感到过凉,此信息传到大脑的调温中心---丘脑,进行调温以暖 皮肤,并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热,这样体内原有积熵排不出,还进一步产生积熵,以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱--使人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力。抵抗力减弱…..人因此感冒了. 中医说: 内有虚火,外感风寒. 西医说: 感冒了,有炎症. 物理说: 如何治疗呢? 中医说: 西医说: 物理说: 发汗清热. 退热消炎 积熵过剩. 消除积熵. 感冒了 癌症:由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度大幅度增长.以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传,细胞无控制地生长,产生毒素,进一步破坏人体的有序,直到熵趋近无穷大---死亡到来. 做功是外界分子有规则运动和系统内分子无规则运动相互转换和传递。可逆过程中,外界分子的有规则运动传入或传出系统不会改变系统内分子无规则运动的微观状态数,即:dW = 0,亦即ds = 0 热传递
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