不可逆过程课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,循环过程：,课前复习,热机效率：,制冷系数：,卡诺？,循环过程：课前复习热机效率：制冷系数：卡诺？,热力学第一定律：一切热力学过程都应满足能量守恒。但满足能量守恒的过程是否一定都能进行,?,热力学第二定律：,满足能量守恒的过程不一定都能进行,!,过程的进行还有个方向性的问题。,问题,:,热力学第二定律,热力学第一定律：一切热力学过程都应满足能量守恒。但满足能量守,3.4.1,自然过程的方向,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,凡符合热力学第一定律的过程,-,即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？,3.4.1 自然过程的方向 重物下落，功全部转化成热而,热量,自动从,低温物体传到高温物体,不可能,高温,低温,自动,气体自由膨胀是可以自动进行的,但自动收缩,的过程谁也没有见到过。,“,一切与热现象有关的自然过程都是不可逆的，,都存在一定的方向性,-,存在着时间箭头,”,热量自动从低温物体传到高温物体不可能高温低温自动 气体自由膨,生命过程就是不可逆的,:,出生,“,今天的你我,怎能重复,过去的故事,!,”,童年,少年,青年,中年,老年,年华易逝，且学且珍惜,落叶永离，覆水难收。,生命过程就是不可逆的:出生“今天的你我童年少年青年,6,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,6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,7,3.4.2,热力学第二定律及其微观意义,一,.,热力学第二定律的表述,1,.,克劳修斯,(,Clausius,),表述,:,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,克劳修斯,（,clausius,，,1850,）,或说,“其,唯一效果,为热量从低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的”,Q,T,1,（高）,T,2,（低）,7 3.4.2 热力学第二定律及其微观意义 一.热力学第二定,8,2,.,开尔文,(,Kelvin,),表述,:,其,唯一效果,为热全部转变为功的过程是不可能的,热机是把热转变成了功,但还有其它变化,(,还有些热量从高温热源传给了低温热源,),开尔文,（,Kelvin,，,1851,）,热机是否违反,开尔文表述,？,82.开尔文(Kelvin)表述:热机是把热转变成了功,但还,9,第二类永动机又称单热源热机，其效率,=1,，即热量全部转变成功。,（前人卡诺给他打下了基础）,A,=,Q,Q,T,第二类永动机,另一种开氏表述是,“,不,存在第二类永动机”,9第二类永动机又称单热源热机，其效率 =1，即热量全部转,10,理想气体等温膨胀过程,不是把热全部 转变为功吗,？,是把热全部变成了功，但伴随了其它变化,(,系统体积膨胀）,A,=,Q,V,1,T,Q,V,2,10理想气体等温膨胀过程不是把热全部 转变为功吗？是把热全部,11,二,.,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,等价,设开氏表述不成立,则克氏表述不成立,A,=,Q,1,T,1,Q,1,T,1,T,2,Q,2,Q,1,+,Q,2,T,2,Q,2,Q,1,T,1,A,11二.两种表述的等价性 1.若克氏表述成立，则开氏表述,12,2.,若开氏表述成立，则克氏表述也成立。,反证法：,设克氏表述不成立,T,1,T,2,Q,2,Q,1,+,Q,2,Q,2,A,=Q,1,等价,Q,1,T,1,A,则开氏表述不成立,T,1,T,2,Q,2,克氏表述成立,开氏表述成立,122.若开氏表述成立，则克氏表述也成立。反证法：设克氏,13,例,试证明在,p,V,图上任意物质的,一条等,温线和一条绝热线不能相交两次。,证：,用反证法，,设等温线和绝热线能相交两次。,绝热线,（等,S,线）,等温线,Q,A,=,Q,p,V,则如图示，可构成一个单热库热机，从而违反热力学第二定律的开氏表述，故假设不成立。,13例试证明在 p V图上任意物质的一条等温线和一条,14,3.4.3,过程的可逆性,一,.,定义,1.,可逆过程,（,reversible process,）：,可逆过程是这样一种过程,它的每一步都可以沿相反的方向进行,而当系统沿相反的方向回到原状态时,外界也恢复到原状态。,(,即系统和外界都复原,),如不可能使系统和外界,都完全,复原，则此过程叫做不可逆过程。,为什么一切自然过程,(,实际过程,),都是不可逆过程？,有摩擦损耗,非准静态过程,143.4.3 过程的可逆性一.定义1.可逆过程（reve,15,二可逆过程的重要特征,摩擦是功变热的过程，它肯定是不可逆的；,非准静态过程也是不可逆的：,无摩擦,+,准静态,因为非静态过程的中间态（一般是非平衡态）非常复杂,没有统一的状态参量,这种过程沿反方向进行时,每一步都做到是原来沿正方向进行时的重演是不可能的。,可逆过程是比准静态过程,更加理想化的过程，,有重要的理论意义与实际意义。,15 二可逆过程的重要特征 摩擦是功变热的,16,可逆过程的例子：,一粒粒地放上极小极小的细沙粒，,无摩擦,绝热活塞,绝热缸壁,恒温热源,T,（,1,）可逆等温压缩,一粒粒地取走沙粒，系统和外界都复原！,（,2,）可逆绝热压缩,无摩擦,+,准静态,有一条不满足就是不可逆绝热压缩！,无摩擦,+,准静态,16可逆过程的例子：一粒粒地放上极小极小的细沙粒，无摩擦绝热,堂上小议,（,1,）可逆过程一定是准静过程；,（,2,）准静过程一定是可逆过程；,（,3,）不可逆过程一定找不到另一个过程使系统和外界完全复原；,（,4,）非准静过程一定是不可逆过程。,请在放映状态下点击你认为是对的答案,判断下列说法中哪一种是,不正确,的,随堂小议,堂上小议（1）可逆过程一定是准静过程；（2）准静过程一定是可,小议链接,1,（,1,）可逆过程一定是准静过程；,（,2,）准静过程一定是可逆过程；,（,3,）不可逆过程一定找不到另一个过程使系统和外界完全复原；,（,4,）非准静过程一定是不可逆过程。,请在放映状态下点击你认为是对的答案,判断下列说法中哪一种是,不正确,的,随堂小议,小议链接1（1）可逆过程一定是准静过程；（2）准静过程一定是,小议链接,2,（,1,）可逆过程一定是准静过程；,（,2,）准静过程一定是可逆过程；,（,3,）不可逆过程一定找不到另一个过程使系统和外界完全复原；,（,4,）非准静过程一定是不可逆过程。,请在放映状态下点击你认为是对的答案,判断下列说法中哪一种是,不正确,的,随堂小议,小议链接2（1）可逆过程一定是准静过程；（2）准静过程一定是,小议链接,3,（,1,）可逆过程一定是准静过程；,（,2,）准静过程一定是可逆过程；,（,3,）不可逆过程一定找不到另一个过程使系统和外界完全复原；,（,4,）非准静过程一定是不可逆过程。,请在放映状态下点击你认为是对的答案,判断下列说法中哪一种是,不正确,的,随堂小议,小议链接3（1）可逆过程一定是准静过程；（2）准静过程一定是,（,1,）可逆过程一定是准静过程；,（,2,）准静过程一定是可逆过程；,（,3,）不可逆过程一定找不到另一个过程使系统和外界完全复原；,（,4,）非准静过程一定是不可逆过程。,请在放映状态下点击你认为是对的答案,判断下列说法中哪一种是,不正确,的,随堂小议,小议链接,4,（1）可逆过程一定是准静过程；（2）准静过程一定是可逆过程；,22,（以气体自由膨胀为例来说明）,一,.,微观状态与宏观状态,表示,左，右,中各有多少个分子,-,称为宏观状态,表示,左，右,中各是哪些分子,-,称为微观状态,A,B,将隔板拉开后,气体自由膨胀,3.4.4,热二律的统计意义,22（以气体自由膨胀为例来说明）一.微观状态与宏观状态 表,23,左,4,，右,0,的宏观态,，微观状态数,1,左,3,，右,1,的宏观态，,微观状态数,4,左,1,，右,3,的宏观态,，,微观状态数,4,左,0,，右,4,的宏观态,，微观状态数,1,左,2,，右,2,的宏观态,，,微观状态数,6,23左4，右0的宏观态，微观状态数 1左3，右1的宏观态，左,24,5,种宏观态相应的微观态数目分布图,左,4,右,0,左,3,右,1,左,2,右,2,左,1,右,3,左,0,右,4,0,1,2,3,4,5,6,统计理论的,“,等概率,”,基本假设：,对于孤立系统,各微观状态出现的概率是相同的。,对应微观状态数目越多的宏观态,其出现的概率越大。,245种宏观态相应的微观态数目分布图 左4 右0 左3,25,与平衡态的微小偏离，就是,涨落（始终存在）,两边粒子数相同时,概率最大，对应于,平衡态,若,N,=,10,23,总微观状态数,16:,5,种宏观态出现的,概率为,(,已归一,),左,4,右,0,和,左,0,右,4,概率 各为,1/16,；,左,3,右,1,和,左,1,右,3,概率 各为,4/16,；,左,2,右,2,概率 为,6/16,（出现概率最大）。,对应于微观状态数最多的,宏观态就是系统的,平衡态,N=10,23,概率,N/2,N,n,25与平衡态的微小偏离，就是涨落（始终存在）两边粒子数相同时,26,某一宏观态所对应的微观状态数目，,叫该宏观态的热力学概率，用,表示,讨论：全部分子自动收缩到左边的,宏观态出现的,热力学概率,是多少？,当分子数,N,=,N,A,(,1,摩尔,),时,二,.,热力学概率,:,全部分子自动收缩到左边的宏观态原则上虽然可以出现，但实际上不可能出现！,当分子数,N,=4,时,(,已归一化,),26 某一宏观态所对应的微观状态数目，讨论：全部分子自动收,27,例,.,用铅字随机排版，写出一百万字的小说可能吗？,热二律（自然过程的方向性）的定量表述,:,“,热力学概率,总是沿增大的方向发展”。,比全部分子自动收缩到,左边的概率还大得多得多！,孤立系统总是从非平衡态向平衡态过渡,27例.用铅字随机排版，写出一百万字的小说可能吗？热二律（,28,三,.,热力学第二定律的统计意义,平衡态,最概然态,非平衡态,非平衡态,平衡态,自发,“,一个孤立系统其内部自发进行的过程，,总是由热力学概率小的宏观态向热力学概率大的宏观态过渡”,热二律的统计意义,28三.热力学第二定律的统计意义平衡态 最概然态非平衡,29,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,所以，,自然过程,（不可逆过程）,总是沿着,无序性增加,（熵增加）,的方向进行。,熵增加,热力学第二定律是个统计规律，它只适,用于,大量分子,的系统。,对于不可逆过程，例如：,29功热：有序运动热运动热传导：速度分布无序性增加自由膨,30,自然界中发生的热力学过程都是有方向性的，如：热传导、气体自由膨胀、扩散等。判断前一个不可逆过程方向的标准是温度的高低，判断后一个不可逆过程的标准是分子密度的大小。这样，对不同的过程就有不同的标准来判断。为了把判断不可逆过程方向的标准统一起来，我们引进熵的概念。熵用,S,表示，是态函数，表示无序性。,3.4.5,熵,30自然界中发生的热力学过程都是有方向性的，如：热传导、气体,31,1,基本概念：平衡态 平衡过程 功 热量 内能 摩尔热容,2,基本原理：,热力学第一定律及四个过程的热量、内能和做功的计算,循环过程 卡诺循环：,热力学第二定律及统计意义,本章总结：,311 基本概念：平衡态 平衡过程 功 热量 内能 摩尔热容,作业：,P152,练习题：,2,，,4,，,7,，,9,，,10,，,11,，,13,作业：P152,