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第六章 热力学第二定律
§6.1 热力学第二定律
§6.2 可逆过程与不可逆过程
§6.3 热力学第二定律的统计意义
;热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互
转化过程中必须遵循的规律,但并未限定过程
进行的方向。观察与实验表明,自然界中一切
与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,或者
说是有方向性的。
例如,热量可以从高温物体自动地传给低温物体,但是却不能从低温传到高温。
对这类问题的解释需要一个独立于热力
学第一定律的新的自然规律,即热力学第二定
律。;热力学第一定律:能量转换和守恒定律;问题的来由:; 他指出:一部蒸汽机所产生的机械功,在原则上有赖于锅炉和冷凝器之间的温度差以及工作物质从锅炉所吸收的热量。(卡诺定理); 第二类永动机并不违反热力学第一定律,即不违反能量守恒定律,因而对人们更具有诱惑性。;§6.1 热力学第二定律 (the second law of thermodynamics);开尔文(Lord Kelvin 1824~1907),原名
(W. Thomson,1824-1907)。英国物理学家, 热力学的奠基人之一。英国物理学家,1824年6月26日生于爱尔兰的贝尔法斯特,1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔逝世。由于装设大西洋海底电缆有功,英国政府于1866年封他为爵士,后又于1892年封他为男爵,称为开尔文男爵,以后他就改名为开尔文。1846年开尔文被选为格拉斯哥大学自然哲学教授,自然哲学在当时是物理学的别名。开尔文担任教授53年之久,到1899年才退休。1904年他出任格拉斯哥大学校长,直到逝世。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、电磁学、波动和涡流等方面卓有贡献,1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他,国际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名。
;热机的效率 ; 产生其他影响的例子:
理想气体准静态的等温膨胀,有Q=A,实现了完全的热功转换,也就是将吸入的热量全部转变为功,但该过程使系统的体积发生了变化,也就是产生了其它影响。;第二类永动机:;说明;2、热力学第二定律的克劳修斯表述
(Clausius Statement of the Second Law);克劳修斯表述( 1850):;经验告诉我们:;适用条件???
热力学第二定律只能适用于
(1)由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程;
(2)不适用于少量的微观体系;
(3)也不能把它推广到无限的宇宙。 ;§6.2 热现象过程的不可逆性Irreversibility of thermodynamics Process ;如图所示,假定开尔文表述不成立,则可以在不产生其它影响的情况下将从高温热源放出的热量Q1全部转变为对外做功A=Q1,设有一台工作在高温热源T1与低温热源T2之间的卡诺致冷机,在一次循环过程中,通过外界对其做功A使Q2的热量从低温热源放出,而高温热源吸收的热量为Q1=Q2+A,那么在一次循环结束时,把上述两个过程综合起来的唯一效果将是从低温热源放出的热量Q2自动传给了高温热源,而不产生其它影响,导致克劳修斯表述也不成立。;设有一台工作在高温热源T1与低温热源T2之间的卡诺热机,在一次循环过程中,从高温热源吸热Q1向低温热源放热Q2,同时对外做功A=Q1-Q2,如下图所示。假定克劳修斯表述不成立,则可以将热量Q2自动地从低温热源传向高温热源,而不产生其它影响。那么在一次循环结束时,把上述两个过程综合起来的唯一效果将是从高温热源放出的热量Q1-Q2全部变成了对外做功A=Q1-Q2,导致了开尔文表述的不成立。;二. 可逆与不可逆过程;如对于某一过程,如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响,则原来的过程称为不可逆过程.; 开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。;各种不可逆过程的基本特点:
① 没有达到力学平衡(系统和外界之间存在有限大小的压强差)
② 没有达到热平衡(存在着在有限温度差之间的热传导)
③ 没有消除摩擦力或黏性力以至电阻等产生耗散效应的因素。;1、由功变热不可逆证明热传导的不可逆 ;2、由功变热不可逆证明理想气体自由膨胀不可逆 ;
; 还可由热传导过程的不可逆性推断功变热过程的不可逆性(可自行证明)。类似的例子不胜枚举。
;非自发传热; 自然现象的不可逆性;一、分析几个热力学过程
为什么宏观热力学过程都沿着确定的方向(自发方向)进行?
;1、 气体绝热自由膨胀;; 微观态共有24=16种可能的方式,而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。;; 4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。;
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