大学物理热力学第二定律(老师ppt课件)

第第 9 章章热热力学第二定律力学第二定律 热热力力学学第第一一定定律律要要求求：在在一一切切热热力力学学过过程程中中，能量一定守恒。能量一定守恒。但是但是，满足能量守恒的过程是否一定都能实现？，满足能量守恒的过程是否一定都能实现？实际过程的进行有方向性，满足能量守恒实际过程的进行有方向性，满足能量守恒的过程不一定都能进行。的过程不一定都能进行。热力学第二定律就是关于热力学第二定律就是关于自然过程自然过程（不受不受外来干预，例如孤立体系内部的过程外来干预，例如孤立体系内部的过程）的的方向方向性性的基本规律。的基本规律。前言前言 热热力学第一定律要求：在一切力学第一定律要求：在一切热热力学力学过过程中，能量一定守恒程中，能量一定守恒1 1、功变热、功变热水水功功热：热：重物下落重物下落,功全部变功全部变成热成热,且不引起其它任何变化且不引起其它任何变化 水水温温降降低低，产产生生水水流流，推推动动叶叶片片转转动，提升重物，而不引起其它任何变化。动，提升重物，而不引起其它任何变化。该过程能该过程能“自动自动”发生。发生。功变热的过程是不可逆的。功变热的过程是不可逆的。逆过程不能自动发生。逆过程不能自动发生。该过程该过程不能不能“自动自动”发生。发生。热热功功：一、一、自然过程有明显的方向性自然过程有明显的方向性 9.1 自然过程的方向性自然过程的方向性(如摩擦生如摩擦生热、焦耳焦耳实验)1、功、功变热变热水功水功热热：重物下落：重物下落,功全部功全部变变 水温降水温降 有限温差的两个物体相接触，热量总是有限温差的两个物体相接触，热量总是自自动由高温物体传向低温物体。动由高温物体传向低温物体。相反过程不会自相反过程不会自动发生。动发生。当当然然，用用致致冷冷机机可可把把热热量量由由低低温温物物体体传传向向高高温温物物体体。但但外外界界必必须须对对工工作作物物质质做做功功，这这就引起了其它效果。就引起了其它效果。有限温差热传导不可逆。有限温差热传导不可逆。高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2AQ1Q2工质工质2、热传导、热传导THTLQ 有限温差的两个物体相接触，有限温差的两个物体相接触，热热量量总总是自是自动动由高温物体由高温物体传传向向3、气体的绝热自由膨胀、气体的绝热自由膨胀气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。膨胀膨胀：可以自动进行可以自动进行压缩压缩：不能自动进行。不能自动进行。（扩散）（扩散）3、气体的、气体的绝热绝热自由膨自由膨胀胀气体向真空中自由膨气体向真空中自由膨胀胀的的过过程是不可逆的。程是不可逆的。其它不可逆过程的例子：其它不可逆过程的例子：其它不可逆其它不可逆过过程的例子：程的例子：4.结论结论 1)自然界中的自然界中的实际宏观过程都涉及功变实际宏观过程都涉及功变热、热传导和从非平衡态向平衡态的转化。热、热传导和从非平衡态向平衡态的转化。所以，所以，一切与热现象有关的实际宏观过程都一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。是不可逆的。2)宏观上与热相伴过程的不可逆性是相宏观上与热相伴过程的不可逆性是相互互沟通（依存）沟通（依存）的。的。或：各种实际宏观过程的方向性都是或：各种实际宏观过程的方向性都是相相互沟通互沟通的的（不可逆性相互依存）（不可逆性相互依存）4.结论结论 若功若功热转换的方向性消失的方向性消失 热传导的方向性也消失的方向性也消失 若若热传导的方向性消失的方向性消失 功功热转换的方向性也消失的方向性也消失 若理想气体若理想气体绝热自由膨自由膨胀的方向性消失的方向性消失 功功热转换的方向性也消失的方向性也消失相互沟通（相互依存）：相互沟通（相互依存）：一种过程的方向性存在一种过程的方向性存在(或消失或消失)，则则 另一过程的方向性也存在另一过程的方向性也存在(或消失或消失)。若功若功热转换热转换的方向性消失的方向性消失 热传导热传导的方的方 二、可逆过程与不可逆过程二、可逆过程与不可逆过程 1.定义：定义：一个系统经过一个过程一个系统经过一个过程 P 从一状态变化到另一状态从一状态变化到另一状态12P 如果如果存在存在一个过程一个过程使系统和外界使系统和外界完全复原完全复原 则说明原过程则说明原过程 P 是是可逆可逆的。否则是不可逆的的。否则是不可逆的 判断的是判断的是原原过程过程 P 系统和外界系统和外界完全复原完全复原注意注意2.只有只有无摩擦的准静态无摩擦的准静态过程才是过程才是可逆过程。可逆过程。二、可逆二、可逆过过程与不可逆程与不可逆过过程程12P 如果存在一个如果存在一个过过程使程使可逆过程例可逆过程例1 1：气体无摩擦、准静态压缩。气体无摩擦、准静态压缩。无摩擦无摩擦pp+dp压强差保压强差保持无限小持无限小可逆过程例可逆过程例2 2：系统系统T1T1+dTT1+2dTT1+3dTT2温差无限小温差无限小“等温等温”传热传热准静态传热准静态传热可逆过程例可逆过程例3 3：工质和恒温热库等温传热；工质和恒温热库等温传热；工质与外界无摩擦准静态做功。工质与外界无摩擦准静态做功。卡诺循环。卡诺循环。无摩擦的缓慢绝热压缩过程无摩擦的缓慢绝热压缩过程快速绝热压缩快速绝热压缩有摩擦的缓慢有摩擦的缓慢绝热压缩过程绝热压缩过程不不可可逆逆可逆可逆过过程例程例1：气体无摩擦、准静：气体无摩擦、准静态压缩态压缩。无摩擦。无摩擦pp+dp压压强强差差一、两种表述一、两种表述 1.克劳修斯克劳修斯(Clisuis)表述：表述：热量不能热量不能自动地自动地从低温从低温物体物体传向高温传向高温物体物体（18501850）(致冷机致冷机)其其唯一唯一效果是热量效果是热量从低从低温物体传向温物体传向高高温温物体的过程是物体的过程是不可能不可能发生的。发生的。9.2 热力学第二定律热力学第二定律“各种宏各种宏观过程的方向性的相互沟通程的方向性的相互沟通”说明宏明宏观过程的程的进行遵从共同的行遵从共同的规律律-热二律热二律热二律热二律以以否定否定的语言说出一条确定的规律。的语言说出一条确定的规律。一、两种表述一、两种表述热热量不能自量不能自动动地从低温物体地从低温物体传传向高温物体（向高温物体（1850）2.开尔文（开尔文（Kelvin)表述表述（18511851）：其其唯一效果唯一效果是热全部转变成功的过程是不是热全部转变成功的过程是不可能发生的。可能发生的。(热机热机)热量热量自动地自动地全部全部转变成转变成功功的过程是的过程是不可不可能能发生的。发生的。第二类永动机第二类永动机是不可能造成的。是不可能造成的。不可能从不可能从单一热源单一热源吸热，吸热，使之完全变为有使之完全变为有用功用功而而不产生其它影响不产生其它影响。如如结合合热机，开机，开尔尔文文说法的意法的意义是：是：又称又称单一一热源源热机机，热量量全部全部转变成了功。成了功。效率：效率：=12.开开尔尔文（文（Kelvin)表述（表述（1851）：）：3.两种表述的等效性两种表述的等效性(相互沟通相互沟通)如果第二类永动机可造出来如果第二类永动机可造出来热量自动从低热量自动从低温传到高温温传到高温开氏开氏证证（反证法反证法）：看联合机：看联合机：低温热源净放热低温热源净放热令其推动卡诺制冷机令其推动卡诺制冷机高温热源净吸热高温热源净吸热克氏克氏如果第二类永动机能造出来如果第二类永动机能造出来唯一效果唯一效果3.两种表述的等效性两种表述的等效性(相互沟通相互沟通)热热量自量自动动从低温从低温传传到高温开氏到高温开氏1.宏观状态与微观状态宏观状态与微观状态宏观上看宏观上看：A、B 两部分各有多少粒子两部分各有多少粒子而不去区分究竟是哪些粒子而不去区分究竟是哪些粒子微观上看微观上看：具体哪个粒子在哪？具体哪个粒子在哪？。AB所有分子自动退回所有分子自动退回A 几率几率？二、统计意义（微观解释二、统计意义（微观解释）气体的扩散气体的扩散 能否反向进行？能否反向进行？。AB每个分子每个分子 给一编号给一编号1.宏宏观观状状态态与微与微观观状状态态宏宏观观上看：。上看：。微观状态：微观状态：微观上可区分的每一种分布微观上可区分的每一种分布 玻玻耳耳兹兹曼曼认认为为：从从微微观观上上看看，对对于于一一个个系系统统的的状状态态的的宏宏观观描描述述是是非非常常不不完完善善的的，系系统统的的同同一一个个宏宏观观状状态态实实际际上上可可能能对对应应于于非非常常非非常常多多的的微微观观状状态态，而而这这些些微微观观状状态态是是粗粗略略的宏观描述所不能加以区别的。的宏观描述所不能加以区别的。微微观观状状态态：微：微观观上可区分的每一种分布上可区分的每一种分布 玻耳玻耳兹兹曼曼认为认为：从微：从微微观状态（位置）微观状态（位置）宏观状态宏观状态微观态数微观态数 左左2，右，右2左左1，右，右3左左0，右，右41464以以4个分子为例：个分子为例：左左4，右，右01左左3，右，右1516微微观观状状态态（位置）宏（位置）宏观观状状态态微微观态观态数数 左左2，右，右2左左1，右，右3左左0，01234564个粒子的分布个粒子的分布左左4，右，右0左左3，右，右1左左2，右，右2左左1，右，右3左左0，右，右4宏观状态宏观状态01234564个粒子的分布左个粒子的分布左4，右，右0左左3，右，右1左左2，右，右2左左2.等几率假设等几率假设 孤立系统中孤立系统中 每个微观态出现的几率相同每个微观态出现的几率相同 对应微观态数目多的对应微观态数目多的宏观态出现的几率大宏观态出现的几率大4个分子自动都个分子自动都退回退回A的的几率：几率：分布越均匀分布越均匀,微观态数目越多微观态数目越多.2.等几率假等几率假设设对应对应微微观态观态数目多的宏数目多的宏观态观态出出现现的几率大的几率大4个分个分微观状态（位置）微观状态（位置）宏观状态宏观状态微观态数微观态数 左左2，右，右2左左1，右，右3左左0，右，右41464以以4个分子为例：个分子为例：左左4，右，右01左左3，右，右1微微观观状状态态（位置）宏（位置）宏观观状状态态微微观态观态数数 左左2，右，右2左左1，右，右3左左0，05101520N个分子个分子 自动都退自动都退回回A的的几率：几率：12N在微观上认为是可在微观上认为是可能的，只不过概率能的，只不过概率太小而已。在宏观太小而已。在宏观上认为是不可能。上认为是不可能。4 4个粒子个粒子 5 5个粒子个粒子 6 6个粒子个粒子粒粒子子数数10102323,宏宏观观态态对对应应的的微微观观态态数数非常大非常大.05101520N个分子个分子 自自动动都退回都退回A的几率：的几率：12N在微在微3.热力学概率热力学概率(几率几率)一个宏观态对应的微观态一个宏观态对应的微观态 数目叫做这一宏观态的数目叫做这一宏观态的 热力学概率热力学概率 宏观态宏观态 微观态微观态46411在诸多的宏观态中，在诸多的宏观态中，热力学概率最大的宏观态是平衡态热力学概率最大的宏观态是平衡态其它态都是非平衡态。其它态都是非平衡态。平衡态最易出现平衡态最易出现(平衡态平衡态)系统无序程度的量度系统无序程度的量度3.热热力学概率力学概率(几率几率)宏宏观态观态 微微观态观态46411在在4.热热 律的律的统计意义统计意义 自发过程的方向性自发过程的方向性如如 自由膨胀自由膨胀有序有序无序无序 自然过程从热力学概率小向热力学概率大自然过程从热力学概率小向热力学概率大 的方向进行。的方向进行。孤立系统内的自发过程总是孤立系统内的自发过程总是 沿着使系统的热力学概率增大沿着使系统的热力学概率增大的方向进行的方向进行讨论讨论1)热热 律是律是涉及到大量分子的运动的无序性变化涉及到大量分子的运动的无序性变化的规律，因而它是一条的规律，因而它是一条统计规律统计规律。(与热与热 律不同律不同)或：孤立系统总是从非平衡态向平衡态过渡或：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的宏观态进行就是从几率小宏观态向几率大的宏观态进行4.热热 律的律的统计统计意意义义 自自发过发过程的方向性有序无序程的方向性有序无序 2)一切自然过程总是沿着分子运动的无序性一切自然过程总是沿着分子运动的无序性增大的方向进行增大的方向进行功变热功变热 机械功（电功）机械功（电功）热能热能 有序运动有序运动 无序运动无序运动 热传导热传导T2T1动能分布较有序动能分布较有序TT动能分布更无序动能分布更无序气体自由膨胀气体自由膨胀位置较有序位置较有序位置更无序位置更无序2)一切自然一切自然过过程程总总是沿着分子运是沿着分子运动动的无序性增大的方向的无序性增大的方向进进行功行功三、热力学第二定律的三、热力学第二定律的本质本质自然界中自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。都是不可逆的。四、卡诺定理四、卡诺定理在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切热机的效率的一切热机的效率,不可能大于可逆机的效率。不可能大于可逆机的效率。=，可逆机，可逆机 与工作物质无关与工作物质无关，不可逆机，不可逆机欲欲 ，应，应 并使热机尽量接近可逆机。并使热机尽量接近可逆机。早在早在热力学第一和第二定律建立之前，在力学第一和第二定律建立之前，在 研究提高研究提高热机效率的机效率的过程中，程中，1824年卡年卡诺 提出了一个重要定理提出了一个重要定理(这里只作介里只作介绍不作不作 证明明)，其内容是：，其内容是：三、三、热热力学第二定律的本力学第二定律的本质质在相同的高温在相同的高温热热源和相同的低温源和相同的低温热热源之源之间间9.3 熵与熵增加原理熵与熵增加原理熵(entropy)(以以S表示表示)是一个重要的是一个重要的状状态参量。参量。热力学中力学中 以以熵的大小的大小 S 描述状描述状态的的 无序性无序性，以以熵的的变化化 S 描述描述过程的程的 方向性方向性。本本节将将讨论熵的引的引进、计算等算等问题。9.3 熵熵与与熵熵增加原理增加原理熵熵(entropy)(以以S表示表示)是是一、熵的定义：一、熵的定义：S=k ln 18771877年年，玻玻耳耳兹兹曼曼引引入入熵熵(Entropy)(Entropy)来来表表示示系系统无序性的大小。统无序性的大小。玻耳兹曼熵公式：玻耳兹曼熵公式：S ln 19001900年年，普普朗朗克克引引入入系数系数k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数熵是状态函数熵是状态函数与与 E T P 同地位同地位9.3 熵与熵增加原理熵与熵增加原理一、一、熵熵的定的定义义：S=k ln 1877一、熵的定义：一、熵的定义：S=k ln 18771877年年，玻玻耳耳兹兹曼曼引引入入熵熵(Entropy)(Entropy)来来表示系统无序性的大小。表示系统无序性的大小。玻耳兹曼熵公式：玻耳兹曼熵公式：S ln 1900 1900年，普朗克引入系数年，普朗克引入系数k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数熵是状态函数熵是状态函数与与 E T P 同地位同地位9.3 熵与熵增加原理熵与熵增加原理系统某一状态的熵值越大系统某一状态的熵值越大,宏观状态越无序宏观状态越无序.一、一、熵熵的定的定义义：S=k ln 1877大学物理大学物理热热力学第二定律力学第二定律(老老师师ppt课课件件)系统某一状态的熵值越大系统某一状态的熵值越大,宏观状态越无序宏观状态越无序.孤立系统所进行的自然过程总是有序向无孤立系统所进行的自然过程总是有序向无序过渡序过渡,即沿着即沿着熵增加熵增加的方向进行的方向进行,只有绝热只有绝热可逆过程是等熵过程可逆过程是等熵过程.对于孤立系统中发生的任何过程，系统的熵或对于孤立系统中发生的任何过程，系统的熵或者增加者增加(如果过程是不可逆的如果过程是不可逆的)，或者保持不变，或者保持不变(如如果过程是可逆的果过程是可逆的).孤立系统孤立系统自发过程方向性问题：自发过程方向性问题：系系统统某一状某一状态态的的熵值熵值越大越大,宏宏观观状状态态越无序越无序.孤立系孤立系统统所所进进二、熵增加原理二、熵增加原理 热热 律的数学表述律的数学表述 孤立系统孤立系统自发过程方向性问题自发过程方向性问题可逆过程可逆过程不可逆过程不可逆过程表述：表述：孤立系统内自发的过程，熵永不减少。孤立系统内自发的过程，熵永不减少。孤立系统所进行的自然过程总是有序孤立系统所进行的自然过程总是有序向无序过渡向无序过渡,即沿着即沿着熵增加熵增加的方向进行的方向进行实际一个过程还可能有实际一个过程还可能有注意注意:03）自由膨）自由膨胀设计连胀设计连接初、末接初、末态态的可逆的可逆过过程程设计设计等温可逆等温可逆过过程程连连接初接初n卡诺定理卡诺定理 1、在相同的高温热源和低温热源之间工作的任何工、在相同的高温热源和低温热源之间工作的任何工作物质的作物质的可逆机可逆机，都具有，都具有相同的效率相同的效率。2、工作在相同的高温热源和低温热源之间的、工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不一切不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。这一定理指出要想提高热机的效率，必须提高高温这一定理指出要想提高热机的效率，必须提高高温热源的温度和降低低温热源的温度；并使热机尽量接热源的温度和降低低温热源的温度；并使热机尽量接近于可逆热机。近于可逆热机。9.4 卡诺定理卡诺定理卡卡诺诺定理定理 1、在相同的高温、在相同的高温热热源和低温源和低温热热源之源之间间工工 下列说法中，哪些是正确的？下列说法中，哪些是正确的？可逆过程一定是平衡过程可逆过程一定是平衡过程 平衡过程一定是可逆的平衡过程一定是可逆的 不可逆过程一定是非平衡过程不可逆过程一定是非平衡过程 非平衡过程一定是不可逆的非平衡过程一定是不可逆的 (A)(A)、(B)(B)、(C)(C)、(D)(D)、答案：答案：(A)(A)理由：可逆过程理由：可逆过程 无摩擦的准静态过程无摩擦的准静态过程 例例 下列下列说说法中，哪些是正确的？答案：法中，哪些是正确的？答案：(A)理由：可逆理由：可逆过过程程 例例利用热利用热律证明：一条等温线和一条绝热律证明：一条等温线和一条绝热线不可能相交于两点线不可能相交于两点.证：证：假设两线可相交于两点假设两线可相交于两点(如图如图)，则可构成一正，则可构成一正循环，这个循环只有一个单热源，它把吸收循环，这个循环只有一个单热源，它把吸收的热量全部转变为功即的热量全部转变为功即 100，并使周围，并使周围没有变化。显然，这是违反热力学第二定律没有变化。显然，这是违反热力学第二定律的，因此两条绝热线不能相交。的，因此两条绝热线不能相交。PVO等温线等温线绝热线绝热线例例利用利用热热律律证证明：一条等温明：一条等温线线和一条和一条绝热线绝热线不可能相交于两点不可能相交于两点例例 试证在试证在p-V图上两条绝热线不能相交。图上两条绝热线不能相交。pVA证证明明 假假设设两两条条绝绝热热线线I与与II在在p-V图图上上相相交交于于一一点点A，如图所示。如图所示。现现在在，在在图图上上画画一一等等温温线线，使使它它与与两两条条绝绝热热线线组组成成一一个循环。个循环。这这个个循循环环只只有有一一个个单单热热源源，它它把把吸吸收收的的热热量量全全部转变为功即部转变为功即 100，并使周围没有变化。，并使周围没有变化。显显然然，这这是是违违反反热热力力学学第第二二定定律律的的，因因此此两两条条绝热线不能相交。绝热线不能相交。例例 试证试证在在p-V图图上两条上两条绝热线绝热线不能相交。不能相交。pVA法二：法二：证：证：假设两线可相交于一点假设两线可相交于一点(如图如图)，则，则V V1 1V V2 2p p1 1p p2 2p p3 3P PV VO O绝热线绝热线因此原假设不成立。因此原假设不成立。法二：法二：证证：假：假设设两两线线可相交于一点可相交于一点(如如图图)，则则V1V2p1p2p例例.气体的两条绝热线不能相交于两点，是因为违气体的两条绝热线不能相交于两点，是因为违背背 。气体的等温线和绝热线。气体的等温线和绝热线不能相交于两点，是因为违不能相交于两点，是因为违 。解：解：热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律PVO绝热线绝热线绝热线绝热线若交于两点若交于两点,则可构成一则可构成一循环如图。在此循环中循环如图。在此循环中,Q=0,A0.违背热违背热。理由：？理由：？例例.气体的两条气体的两条绝热线绝热线不能相交于两点，是因不能相交于两点，是因为违为违背背 答案：答案：(A)(A)一绝热容器被隔板分成两半，一半是真一绝热容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理想气体。若把隔板抽出，空，另一半是理想气体。若把隔板抽出，气体将进行自由膨胀，达到平衡后气体将进行自由膨胀，达到平衡后(A)(A)温度不变，熵增加。温度不变，熵增加。(B)(B)温度升高，熵增加。温度升高，熵增加。(C)(C)温度降低，熵增加。温度降低，熵增加。(D)(D)温度不变，熵不变。温度不变，熵不变。理由：理由：自由膨胀后，自由膨胀后，T T不变；不变；孤立系统内的不可逆过程孤立系统内的不可逆过程S S增加增加.例例 答案：答案：(A)一一绝热绝热容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理