第七章热力学基础3课件

7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，单一热源吸热作功，而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但它不是循环过程但它不是循环过程.12 卡诺卡诺循环是循循环是循环过程，环过程，但但需两个需两个热源热源，且，且使外界发使外界发生变化生变化.低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 永永 动动 机机7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享第二类永动机第二类永动机:从单一热源吸热并全部变为功的热机从单一热源吸热并全部变为功的热机第二类永动机是不可能实现的。第二类永动机是不可能实现的。 牛牛文库文档分享第二类永动机牛牛文库文档分享第二类永动机:7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但体，但需外界作功需外界作功且使环境发生变化且使环境发生变化.热量不可能自动地由低温物体传向高温物体热量不可能自动地由低温物体传向高温物体.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机二二 克劳修斯表述克劳修斯表述 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验热力学第二定律是大量实验和经验的总结的总结.3 热力学第二定律可有多种说法，每热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映出自然过程进行具有方向性种说法都反映出自然过程进行具有方向性.2 热力学第二定律开尔文说法与克劳热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性修斯说法具有等效性 牛牛文库文档分享注牛牛文库文档分享注 意意 7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 对于孤立系统，从非平衡态向平衡态过渡是对于孤立系统，从非平衡态向平衡态过渡是自动进行的，这样的过程叫自动进行的，这样的过程叫自然过程自然过程.三三 自然过程的方向性自然过程的方向性 水只能自发地由高处向低处流；水只能自发地由高处向低处流；热量只能自发地由高温处向低温处传递；热量只能自发地由高温处向低温处传递；气体只能自发地由高压处向低压处流动；气体只能自发地由高压处向低压处流动；摩擦生热的过程是不可能朝相反的方向进行。摩擦生热的过程是不可能朝相反的方向进行。 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 对于孤立对于孤立7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 可逆过程可逆过程 :如果存在一个逆过程，该逆过程能如果存在一个逆过程，该逆过程能使系统和外界同时完全复原（即系统回到原来状态，使系统和外界同时完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原来过程对外界引起的一切影响），则同时消除了原来过程对外界引起的一切影响），则原来的过程称为原来的过程称为可逆过程可逆过程.四四 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 可逆过程可逆过程:7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程.不可逆不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能过程：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，或者虽能重复但必使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程不可逆过程.准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程程.可逆过程的条件可逆过程的条件 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享例例7.7 一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水中浸泡，它重新鼓起来，是否是一个中浸泡，它重新鼓起来，是否是一个“从单一热从单一热源吸热的系统对外做功的过程源吸热的系统对外做功的过程”，这违反热力学，这违反热力学第二定律吗？第二定律吗？球内气体的温度变了球内气体的温度变了 牛牛文库文档分享例牛牛文库文档分享例7.7 7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享一、热力学第二定律的微观意义一、热力学第二定律的微观意义l功热转换功热转换 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 l热传导热传导T2T1动能分布动能分布较有序较有序TT动能分布更动能分布更无序无序l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 牛牛文库文档分享一、热力学第二定牛牛文库文档分享一、热力学第二定7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享大量分子从大量分子从无序程度较小（或有序）无序程度较小（或有序）的的运动状态向运动状态向无序程度大（或无序）无序程度大（或无序）的运的运动状态转化。动状态转化。热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。 牛牛文库文档分享大量分子从无序程牛牛文库文档分享大量分子从无序程7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享二、热力学概率与玻尔兹曼熵二、热力学概率与玻尔兹曼熵1、热力学概率、热力学概率假设假设A中装有中装有a、b、c、d 4个分子个分子（用四种颜色标记）。（用四种颜色标记）。开始时，开始时，4个分子都在个分子都在A部，抽出隔板后分子将向部，抽出隔板后分子将向B部扩部扩散并在整个容器内无规则运动。散并在整个容器内无规则运动。如何定量描述自然过程的方向性如何定量描述自然过程的方向性? 牛牛文库文档分享二、热力学概率与牛牛文库文档分享二、热力学概率与7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）A4B0（宏观态宏观态）微观态数微观态数 1 A3B1（宏观态宏观态）微观态数微观态数4A2B2（宏观态宏观态）微观态数微观态数 牛牛文库文档分享分布详细分布牛牛文库文档分享分布详细分布A47 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）A1B3（宏观态宏观态）微观态数微观态数 4A0B4（宏观态宏观态）微观态数微观态数 1从图知从图知,4个粒子的分布情况个粒子的分布情况,总共有总共有16=24个微观态个微观态。A4B0和和A0B4,微观态各为微观态各为1，几率各为几率各为1/16;A3B1和和A1B3,微观态各为微观态各为4，几率各为几率各为4/16，A2B2，微观态为微观态为6，几率最大为几率最大为6/16。 牛牛文库文档分享分布详细分布牛牛文库文档分享分布详细分布A17 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享意味着此事件观察不到意味着此事件观察不到 若系统分子数为若系统分子数为N，则总微观态数为则总微观态数为2N，N个分个分子自动退回子自动退回A室的几率为室的几率为1/2N。1mol气体的分子自由膨胀后，所有分子退回到气体的分子自由膨胀后，所有分子退回到A室的几率为室的几率为 牛牛文库文档分享意味着此事件观察牛牛文库文档分享意味着此事件观察7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享热力学概率热力学概率宏观态所对应的微观态数叫做该宏观态的热力学宏观态所对应的微观态数叫做该宏观态的热力学概率，用概率，用表示表示.自然过程总是由热力学概率小的宏观态向热力学自然过程总是由热力学概率小的宏观态向热力学概率大的宏观态进行，这就是概率大的宏观态进行，这就是热力学第二定律的热力学第二定律的统计意义统计意义 牛牛文库文档分享热力学概率宏观态牛牛文库文档分享热力学概率宏观态7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享熵熵（2 2）熵是熵是系统内分子热运动的无序性的一种量度系统内分子热运动的无序性的一种量度.（越大，越大，S S越高，系统有序度越差越高，系统有序度越差.）（1 1）熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述的定量的表述 .2.玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵对两个子系统对两个子系统 和和 牛牛文库文档分享熵（牛牛文库文档分享熵（2）熵是系统）熵是系统7 77 7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向进行，平衡态对应于熵最大的状态，这就大的方向进行，平衡态对应于熵最大的状态，这就是是熵增加原理熵增加原理 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 在孤立系在孤立系7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享（1 1）在在相同相同的高温热源和的高温热源和相同相同的低温热源之间工作的低温热源之间工作的一切的一切可逆可逆热机，其效率都热机，其效率都相等相等，与工作物质，与工作物质无关无关.一一 卡诺定理卡诺定理（2 2）在在相同相同的高温热源和的高温热源和相同相同的低温热源之间工作的低温热源之间工作的一切的一切不可逆不可逆热机，其效率都热机，其效率都不可能大于不可能大于可逆热机的可逆热机的效率效率.(不可逆不可逆机机)（可逆可逆机机） 牛牛文库文档分享（牛牛文库文档分享（1）在相同的高）在相同的高7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享工作于高、低温热源工作于高、低温热源T T1 1，T T2 2之间的热机效率之间的热机效率二二 克劳修斯等式与不等式克劳修斯等式与不等式采用采用热力学第一定律热力学第一定律中对热量正负的规定中对热量正负的规定 热温比热温比：系统从某一热：系统从某一热源吸收的热量源吸收的热量Q和该热和该热源的温度源的温度T之比之比 牛牛文库文档分享工作于高、低温热牛牛文库文档分享工作于高、低温热7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享结论：结论：卡诺循环中，系统热温比的总和总是小于卡诺循环中，系统热温比的总和总是小于 或者等于零或者等于零.任意一个循环过程可看成一系列微小卡诺循环组成任意一个循环过程可看成一系列微小卡诺循环组成对于任意循环对于任意循环ABA ABA(不可逆不可逆循环循环)（可逆可逆循环循环）当当时，则时，则克劳修克劳修斯不等斯不等式式 牛牛文库文档分享结论：卡诺循环中牛牛文库文档分享结论：卡诺循环中7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享 在可逆过程中，系统从状态在可逆过程中，系统从状态A改变到状态改变到状态B,其热其热温比的积分只取决于初末状态，与过程无关温比的积分只取决于初末状态，与过程无关.据此可知据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此热温比的积分是一态函数的增量，此态函数态函数称称熵熵.可逆循环可逆循环三三 克劳修斯熵克劳修斯熵*AB可逆过程可逆过程 牛牛文库文档分享牛牛文库文档分享 在可逆在可逆7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享微小可逆过程微小可逆过程 热力学系统从初态热力学系统从初态 A 变化到末态变化到末态 B，系统，系统熵熵的增量的增量等于初态等于初态 A 和末态和末态 B 之间任意一可逆过程之间任意一可逆过程热温比（热温比（）的积分）的积分.物理意义物理意义 熵的单位熵的单位 可逆过程可逆过程*AB 牛牛文库文档分享微小可逆过程牛牛文库文档分享微小可逆过程 7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享四四 熵增加原理熵增加原理 孤立系统孤立系统不不可逆过程可逆过程孤立系统孤立系统可逆可逆过程过程 孤立系统中所发孤立系统中所发生的一切生的一切不可逆不可逆过程过程的熵总是的熵总是增加增加，可逆可逆过程熵不变，这就是过程熵不变，这就是熵增加原理熵增加原理。 牛牛文库文档分享四牛牛文库文档分享四 熵增加原理熵增加原理7 78 8 卡诺定理卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵第第7 7章章 热力学基础热力学基础 牛牛文牛牛文库文档库文档分享分享熵增加原理是热力学第二定律的数学表达式熵增加原理是热力学第二定律的数学表达式.它为它为我们提供了判别一切过程进行方向的准则我们提供了判别一切过程进行方向的准则.平衡态平衡态 A平衡态平衡态 B（熵不变）熵不变）可逆可逆过程过程非平衡态非平衡态平衡态（熵增加）平衡态（熵增加）不可逆不可逆过程过程自发过程自发过程 熵增加原理成立的熵增加原理成立的条件条件:孤立系统或绝热过程孤立系统或绝热过程.熵增加原理的应用：给出实际过程进行方向的判椐熵增加原理的应用：给出实际过程进行方向的判椐 牛牛文库文档分享熵增加原理是热力牛牛文库文档分享熵增加原理是热力