清华大学自用 大学物理一 教学课件第十九章 热力学第二定律.ppt
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1、问题:是否符合热一律的即符合能 量守恒的过程都能实现呢?,热机效率,致冷机致冷系数,19.1 自然过程的方向性,1.功热转换,2.热传导,3.气体的绝热自由膨胀,一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的,19.6 可逆过程和不可逆过程,可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而且不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .,不可逆过程: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,或者虽能重复但必然会引起其他变化,这样的过程叫做不可逆过程.,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,无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,自然界
2、一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,所谓可逆过程只是一种理想过程。,19.2 不可逆过程的相互依存,各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互依存的,即一种宏观过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性。或反之,一种过程的不可逆性消失了,其它实际过程的不可逆性也就随之消失了。,19.3 热力学第二定律,1 开尔文说法 不可能制造出这样一种循环工作的热机,它只使单一热源冷却来做功,而不放出热量给其他物体,或者说不使外界发生任何变化 .,说明自然宏观过程进行的方向性的规律,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功,而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.,卡诺循环是循环过程,但需两个热源,且使外界发
3、生变化.,永 动 机 的 设 想 图,2 克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化 .,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体,但需外界作功且使环境发生变化 .,1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3 热力学第二定律可有多种说法,每种说法都反映了自然界过程进行的方向性 .,2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性 .,证明热力学第二定律两种表述的一致性:,A,B,Q = W,如果开尔文表述不成立,则克劳修斯表述也不成立。,A,B,如果克劳修斯表述不成立,则开尔文表述也不成立。,热力学第二定律的实质在于指出,一切与热现象有关的实际宏观过程都
4、是不可逆过程。,无摩擦力等耗散力作功的准静态过程才是可逆过程。,证明两条绝热线不相交,设两个绝热线交于 B ,,可作一等温线与两条绝热线构成一循环,形成单热源热机,违反热力学第二定律。,原假设不成立,两绝热线不能相交。,证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点,设等温线与绝热线有两个交点,则形成单热源热机,违反热力学的二定律。,一切自然过程总是沿着分子的无序性增大的方向进行,功热转换,热传导,气体自由膨胀,楼塌是一个从有序到无序的过程 不可收拾 不可逆,一切自然过程总是沿着分子热运动无序程度增大的方向进行。,热律的微观意义,19.4 热力学概率与自然过程进行的方向,对于孤立系统,各个微观状态出
5、现的可能性是相同的。,对应于微观状态数最多的宏观状态就是系统在一定宏观条件下的平衡态,热力学概率(一个宏观状态中所包含的微观状态数),表征一个宏观状态下分子热运动的无序程度,对孤立系统,在一定条件下的平衡态对应为最大值的宏观态,若系统最初所处的宏观状态的微观状态数不是最大值,即为非平衡态。系统将随时间的延续向增大的宏观态过渡,最终达到平衡态。,均匀分布微观状态数最大的定量说明,假设气体总分子数为 N ,在某一个宏观态下A 室中有 n 个分子。这一宏观态包含的微观态数目:,两边取对数,由斯特林公式 :,对微观态数求极值,解得,A、B 两室分子均匀分布时的宏观态所包含的微观态数目最大 。,结论:自
6、由膨胀过程实质上是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。,19.5 玻尔兹曼公式与熵增加原理,热力学第二定律表明,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,而这种不可逆性并不取决于过程本身,而是反映了始末两个状态在性质上的差异。从统计意义上来认识,这种差异表现为始末两个宏观态所包含的微观态数目不同,并直接决定了过程进行的方向。,引入反映热力学系统状态的一个态函数 熵() , 单位:JK-1,玻尔兹曼的墓碑,为了纪念玻尔兹曼给予熵以统计解释的卓越贡献 ,他的墓碑上寓意隽永地刻着 这表示人们对玻尔兹曼的深深怀念和尊敬.,尼加拉瓜曾发行一套10枚特种邮票 改变地球面貌的十大
7、公式:,原始人 计数规则,毕达哥拉斯 勾股定理,阿基米德 杠杆原理,纳皮尔 对数,牛顿 万有引力,麦克斯韦 电磁波方程,齐奥尔科夫斯基 火箭飞行原理,爱因斯坦 质能公式,德布罗意 物质波波长,玻耳兹曼关系式:,熵是组成系统的微观粒子的无序性(即混乱度)的量度。,设某一热力学系统由n个子系统组成,子系统的热力学概率分别为1、2、n,根据概率论的乘法原理,有,结论:熵具有可叠加性。,物理意义,2)熵是系统无序性大小的量度,例 卡诺定理,(1) 在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率 .,(2) 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机
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