【物理学导论-热学】第9章气体分子动理论和热力学基础理论简介

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1、四.宏观理论从实验归纳总结定律热力学第一定律热力学第二定律地位：相当于力学中的牛顿定律---能量转化---过程方向性基础定律热力学第零定律(热平衡)热力学第三定律(绝对零度不可能达到)1适用一切过程一切系统1.热力学第一定律1）表达式内能E--状态参量与过程无关普遍的能量转化和守恒定律A作功、Q传热--过程量2历史:在研究提高热机的工作效率过程中总结出热力学第一定律和第二定律卡诺热机(最理想热机)热机效率卡诺热机3卡诺循环只与两个恒温热源交换能量的无摩擦的准静态循环卡诺热机热流图PV图4如果则意味着没有低温热源的热机热二律:造不出单热源热机热

2、三律:绝对零度达不到想得到百分之百效率的热机总结出52.热力学第二定律的宏观表述1）克劳修斯(Clisuis)表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体2）开尔文（Kelvin)表述：其唯一效果是热全部转变成功的过程是不可能发生的(制冷机)(热机)63.热力学第二定律的微观解释1)宏观状态与微观状态左右宏观上看：左、右两部分各有多少粒子而不去区分究竟是哪个粒子微观上看：具体哪个粒子在哪？编号为宏观态微观态4641172)热力学几率(概率)一个宏观态对应的微观态数目叫做这一宏观态的热力学几率宏观态微观态464113)等几率假设孤立系统中每个微观

3、态出现的几率相同4)在诸多的宏观态中热力学几率大的宏观态最易出现(平衡态)85)热律的微观解释自发过程的方向性如自由膨胀有序无序自然过程从热力学几率小向热力学几率大的方向进行宏观上认为不可能出现的状态在微观上认为是可能的只不过几率太小而已热律是统计规律(与热律不同)讨论96)熵的玻耳兹曼定义式熵是状态参量是系统紊乱程度的量度与ETP同地位10引入熵的意义理论上是热力学系统的共同特征判断自然过程有统一标准实际上熵的数据是设计新产品的重要技术指标114.熵增加原理热律的数学表述孤立系统自发过程方向性问题可逆过程不可逆过程表述：孤立系

4、统内进行的过程熵永不减少孤立系统内过程必有实际一个过程还可能有>注意:<12楼塌是一个从有序到无序的过程熵增过程不可收拾　　不可逆13五.研究对象的理想特征1.对象理想气体宏观定义：严格遵守气体三定律实际气体理想化：P不太高T不太低微观上也有定义理论框架主体是理想气体1)在理想气体理论基础上加以修正2)经验若高压低温？142.状态平衡态定义：在不受外界影响的条件下对一个孤立系统经过足够长的时间后系统达到一个宏观性质不随时间变化的状态用一组宏观量描述某时的状态非平衡态15实际上的处理：⑴是否可看作平衡态？足够长⑵实在不行---分小块⑶远离平衡态

5、--非线性耗散结构注意区分平衡态和稳定态恒高温恒低温16每一时刻系统都处于平衡态实际过程的理想化---无限缓慢(准)“无限缓慢”：系统变化的过程时间>>驰豫时间如气体的准静态压缩过程时间~1秒3.过程准静态过程驰豫时间<17准静态传热热库非静态过程热库热库准静态过程每一微小过程均是平衡过程18实际过程太迅速了怎么办？⑴修正原理论⑵更普遍的理论或经验本课程：气体分子动理论平衡态下理想气体的状态量与微观量的关系热力学基础实验的总结---必定涉及过程结论是普适的（对象过程不限）但具体的理论计算必是理气、准静态过程191.问题的提出1）按克劳修斯热力

6、学理论初态→末态有序→无序非平衡→平衡退化孤立系统朝均匀简单消除差异的方向发展熵增加能量退化六.开放系统热力学第二律的普遍形式202）按达尔文进化论生物由单细胞人进化(极为有序)越来越复杂越来越有序(熵减少)212.自组织现象1）现象在一定外界条件下系统内部自发地由无序有序的现象无生命和有生命世界都有自组织现象(变为有序)(蜂窝毛皮花纹)空间有序时间有序(候鸟迁徙)222）耗散结构-----自组织形成的有序结构自组织现象是自发进行的但需外界提供触发条件耗散外界的能量质量233.开放系统　热力学第二律的普遍形式1.）孤立系统自发过程：有序

7、无序内部不可逆过程引起的熵变-----熵产生diS由熵增加原理外界孤立系统diS(和外界无能量和物质的交换)242）开放系统(和外界有能量和物质的交换)熵变diS(系统熵产生)deS(与外界交换能量和物质引起的熵变)----熵流deS可<0(负熵流)=0>0(正熵流)外界系统diSdeS实现自组织现象系统必须开放25开放系统总熵变：(1)若deS<0(负熵流)且

8、deS

9、>diS(0)则dS=diS+deS<0则dS=diS+deS>0(2)若deS>0(正熵流)系统更混乱负熵流可使开放系统熵减少变得更有序实现自组织若为正熵流则系统不

10、会实现自组织26∴3）热二律的普遍形式开放系统经历任何过程系统的总熵变永不小于熵流要求>027开放系统自外界吸取能量即输入负熵对孤立系统deS=0开放系统的熵可