第四章 热力学第二定律.ppt

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1、热学电子教案PowerPoint版作者：安宇(分子运动论部分参照了陈信义编的Word版内容）清华大学物理系基础教研室大学物理第四章热力学第二定律4.1自然过程的方向4.2热力学第二定律4.3热力学第二定律的统计意义4.4热力学几率4.5玻耳兹曼熵公式4.6可逆过程和卡诺定律4.7克劳修斯熵公式4.8熵增加原理4.9温熵图4.10熵和能量退化4.1自然过程的方向只满足能量守恒的过程一定能实现吗？功热转换m通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的（irreversible）；或，热不能自动转化为功；或，唯一效果是

2、热全部变成功的过程是不可能的。功热转换过程具有方向性。热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的；或，热量不能自动地由低温物体传向高温物体。气体的绝热自由膨胀（Freeexpansion）气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。非平衡态到平衡态的过程是不可逆的不可逆的自动地一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。热传导（Heatconduction）4.2热力学第二定律（Thesecondlawofthermodynamics）与热现象有关的宏观过程的不可逆性宏观过程的方向性自然宏观过程按一定方向

3、进行的规律就是热力学第二定律怎样精确表述？各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互沟通的例：功变热热传导假设，热可以自动转变成功，这将导致热可以自动从低温物体传向高温物体。TWT0T0T>T0TW所有宏观过程的不可逆性都是等价的。热力

4、学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自动地由低温物体传向高温物体。热力学第二定律的开尔文--普朗克表述：其唯一效果是热全部变成功的过程是不可能的。单热源热机是不可能制成的。（热机的工质是做循环）TTTW反之自动被压缩4.3热力学第二定律的统计意义自然过程总是按有序变无序的方向进行。例：功热转换例：气体的绝热自由膨胀涉及到大量粒子运动的有序和无序，故，热力学第二定律是一条统计规律。布朗运动有时4个粒子全部在A内AB涨落大时不遵循该规律，如：4.4热力学几率（Probability）平衡态的宏观（Macros

5、copic）参量不随时间变化，然而，从微观（Microscopic）上来看，它总是从一个微观状态变化到另一个微观状态，只是这些微观状态都对应同一个宏观状态而已。这样看来，系统状态的宏观描述是粗略的。什么是宏观状态所对应微观状态？例：理想气体处于平衡态例：理想气体处于非平衡态T1T2T2T1左4，右0，状态数1；左3，右1，状态数4左2，右2状态数6左0，右4，状态数1；左1，右3，状态数4左4，右0，状态数1；左3，右1，状态数4左0，右4，状态数1；左1，右3，状态数4左2，右2，状态数6假设所有的微

6、观状态其出现的可能性是相同的。4粒子情况，总状态数16，左4右0和左0右4，几率各为1/16；左3右1和左1右3，几率各为1/4；左2右2，几率为3/8。对应微观状态数目多的宏观状态其出现的几率最大。两侧粒子数相同时，Ω最大，称为平衡态；但不能保证两侧粒子数总是相同，有些偏离，这叫涨落（Fluctuation）。N粒子系统标准偏差或涨落为N，相对变化只有1/N。通常粒子数目达1023，再加上可用速度区分微观状态，或可将盒子再细分（不只是两等份），这样实际宏观状态它所对应的微观状态数目非常大。无论怎样，微

7、观状态数目最大的宏观状态是平衡态，其它态都是非平衡态，这就是为什么孤立系统总是从非平衡态向平衡态过渡。N=1023，微观状态数目用Ω表示，则ΩN/2Nn（左侧粒子数）n4.5玻耳兹曼熵（Entropy）公式非平衡态到平衡态，有序向无序，都是自然过程进行的方向，隐含着非平衡态比平衡态更有序，或进一步，宏观状态的有序度或无序度按其所包含的微观状态数目来衡量。因微观状态数目Ω太大，玻耳兹曼引入了另一量，熵：普朗克定义单位J/K系统某一状态的熵值越大，它所对应的宏观状态越无序。孤立系统总是倾向于熵值最大。熵是在

8、自然科学和社会科学领域应用最广泛的概念之一。4.6可逆过程和卡诺定律(ReversibleprocessandCarnot'stheorem)实际热过程的方向性或不可逆性，如功变热，等。可逆过程？尽管实际不存在，为了理论上分析实际过程的规律，引入理想化的概念，如同准静态过程一样。气体膨胀和压缩u无摩擦的准静态过程外界压强总比系统大一无限小量，缓缓压缩；假如，外界压强总比系统小一无限小量，缓缓膨胀。一个过程进行时，如果使外界条件改变一无穷小的