超强高中物理竞赛讲义16热力学第二定律

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1、热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律第十六章thermodynamicssecondlawofchapter16本章内容本章内容Contentschapter16热力学第二定律secondlawofthermodynamics熵entropy引言引言违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。高温物体低温物体Q高温物体低温物体Q会自动发生不会自动发生热力学第二定律16-1续上热力学第二定律引言违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。高温物体低温物

2、体Q高温物体低温物体Q会自动发生不会自动发生气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生热力学第二定律16-1续上热力学第二定律引言违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生功转变成热量会自动发生热量自行转变成功不会自动发生热力学第二定律16-1续上热力学第二定律引言违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。功转变成热量会自动发生热量自行转变成功不会自动发生热量不可能自动地由低温物体传向高温物体。气体的体

3、积不可能自动地等温缩小。热量不可能在不引起其它变化的条件下而全部转变为功。……各种实际过程进行方向的规律性将用热力学第二定律来表述。热力学第二定律16-1可逆与不可逆过程可逆过程与不可逆过程可逆过程只是一种理想模型。准静态过程可视为可逆过程。一个热力学系统由某一初态出发，经过某一过程到达末态后，如果还存在另一过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到初态，又同时消除了原过程对外界引起的一切影响），则原过程称为可逆过程。一个热力学系统由某一初态出发，经过某一过程到达末态后，如果不存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原过程称为不可逆过程。由于摩擦等耗散因素的实际存在，不可能使系统和外

4、界完全复原。因此有关热现象的实际宏观过程和非准静态过程都是不可逆过程。定律的两种表述热力学第二定律的两种表述克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）。开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。外界需对系统作功，就属“其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。等温膨胀时系统体积增大亦属“其它变化”。此表述说明功变热过程的不可逆性。%企图制造单一热源且的热机称为第二类永动机。开尔文另一表述为：第二类永动机是不可能造成的。它并不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律。表述的等价性热力学第二

5、定律的两种表述是等价的举一个反证例子：假如热量可以自动地从低温热源传向高温热源，就有可能从单一热源吸取热量使之全部变为有用功而不引起其它变化。高温热源低温热源假想的自动传热装置卡诺热机等价于高温热源低温热源（但实际上是不可能的）凡例热力学第二定律不但在两种表述上是等价的，而且它在表明一切与热现象有关的实际宏观过程的不可逆性方面也是等价的。历史上的两种表述只是一种代表性的表述。解法提要：用热力学第二定律证明绝热线与等温线不能相交于两点等温线绝热线若图上绝热线与等温线相交于两点，则可作一个由等温膨胀和绝热压缩准静态过程组成的循环过程。系统只从单一热源（等温过程中接触的恒定热源）吸热。完成一

6、个循环系统对外作的净功为，并一切恢复原状。这违背热力学第二定律的开尔文表述，故绝热线与等温线不能相交于两点。定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律说明热现象的实际宏观过程都是不可逆的。这种不可逆性是分子的微观统计行为的一种表现。取消隔板，气体自由膨胀每一个分子有两种可能的等概率微观分布状态（在A或B）以气体的自由膨胀为例隔板孤立容器用隔板等分成两格真空四个理想气体分子中：微观上可区分，宏观上不可区分。中：四个可区分的分子出现在A、B两半的可能分布方式，即系统的微观分布状态总数目是各分子微观态数目的乘积具体分析如下：即续上分子位置的分布分子数的分布（微观态）（宏观态）微观态

7、数目一个宏观态对应的宏观态出现概率ABAB614411/164/164/161/166/16共16种微观态5种宏观态续上某宏观态出现的概率称为该宏观态的微观态数目一个宏观态对应的热力学概率气体自由膨胀的不可逆性，从统计观点解释就是一个不受外界影响的理想气体系统，其内部所发生的过程总是向着大（或大）的方向进行的。四个分子都集中到A（或B）的那种宏观态出现的概率最小。实际热现象中的分子数很大，1mol气体中6.021023个，这些分子都自动集中到A