熱力學(xué)第二定律卡諾原理.ppt

1,熱力學(xué)第二定律卡諾原理,2,熱力學(xué)第一定律給出了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)化過程中必須遵循的規(guī)律，但并未限定過程進(jìn)行的方向。,凡符合熱一律的過程-即符合能量守恒的過程是否都能實(shí)現(xiàn)呢？,實(shí)驗(yàn)表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是有方向性的。,熱傳導(dǎo)過程,例如：氣體的絕熱自由膨脹過程。,這些典型例子說明自然界的實(shí)際過程是按一定的方向進(jìn)行的，相反方向的過程不能自動發(fā)生，或者說，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。,前 言,3,熱力學(xué)第一定律無法對這類問題作出解釋，需要一個(gè)獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的新的自然規(guī)律，即熱力學(xué)第二定律來解釋。,不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。,功可以完全變熱，但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的。,1851年開爾文總結(jié)出熱力學(xué)過程進(jìn)行的限度。,1.內(nèi)容,1.開爾文表述,以熱機(jī)為例，熱機(jī)的循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?，即產(chǎn)生了其它效果。,4,熱全部變?yōu)楣Φ倪^程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但這時(shí)引起了其它的變化。,開爾文表述否定了熱機(jī)效率能達(dá)百分這百的可能性,高溫?zé)嵩碩1,=0,第二類永動機(jī)（單熱機(jī)）不能制成。,第二類永動機(jī),5,高溫?zé)嵩碩1,低溫?zé)嵩碩2,與之相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是，當(dāng)兩個(gè)不同溫度的物體相互接觸時(shí)，熱量將自動地由高溫物體向低溫物體傳遞，而不可能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體。,如果借助制冷機(jī)，當(dāng)然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價(jià)，也就是引起了其它變化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是有方向的。,2、克勞修斯表述,熱量不能自動地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌淖兓?6,1.從開爾文表述入手,假定單熱機(jī)是可以造成的，則,高溫源,低溫源,Q,3、兩種表述是統(tǒng)一的,2.從克勞修斯表述入手,假定熱量能自動地從低溫源傳到高溫源，則單熱機(jī)也能造成。,熱力學(xué)過程是有方向性的。,7,2.可逆過程與不可逆過程,為了進(jìn)一步研究熱力學(xué)第二定律的含義和熱力學(xué)過程方向性問題，引入可逆過程的概念。,一個(gè)系統(tǒng)，由一個(gè)狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一個(gè)過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原（即系統(tǒng)回到原來狀態(tài)，同時(shí)消除了原過程對外界引起的一切影響）則原來的過程稱為可逆過程；,單擺運(yùn)動：一個(gè)單擺，如果不受空氣阻力及其它摩擦力，當(dāng)它離開某一位置后，經(jīng)過一個(gè)周期又回到原來的位置而周圍一切都無變化。,反之，如果物體不能回復(fù)到原來狀態(tài)或當(dāng)物體回復(fù)到原來狀態(tài)卻無法消除原過程對外界的影響，則原來的過程稱為不可逆過程。,無摩擦和阻力的單擺運(yùn)動是一個(gè)可逆過程。,8,單純的無機(jī)械能耗散的機(jī)械運(yùn)動過程都是可逆過程。,理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的。,在熱現(xiàn)象中，可逆過程只有在準(zhǔn)靜態(tài)和無摩擦的條件下才有可能。無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆的。,經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)表明，自然界中真實(shí)存在的過程都是按一定方向進(jìn)行的，都是不可逆的。,理想氣體熱傳導(dǎo)過程是不可逆的。,可逆?zhèn)鳠岬臈l件是：系統(tǒng)和外界溫差無限小，即等溫?zé)醾鲗?dǎo)。,氣體的迅速膨脹過程是不可逆的。,但是當(dāng)氣體膨脹非常緩慢又沒有其它摩擦?xí)r，它卻是可逆的。,9,結(jié)論：,1）一切自發(fā)過程都是不可逆過程。,2）準(zhǔn)靜態(tài)過程（無限緩慢） +無摩擦的過程是可逆過程。,3）一切實(shí)際過程都是不可逆過程。,可逆過程是一種理想的極限，只能接近，絕不能真正達(dá)到。因?yàn)?，?shí)際過程都是以有限的速度進(jìn)行，且在其中包含摩擦，粘滯，電阻等耗散因素，必然是不可逆的。,強(qiáng)調(diào)：不可逆過程不是不能逆向進(jìn)行，而是說當(dāng)過程逆向進(jìn)行時(shí)，逆過程在外界留下的痕跡不能將原來正過程的痕跡完全消除。,10,熱力學(xué)第二定律說明了自然界的實(shí)際過程是按一定的方向進(jìn)行的，是不可逆的，相反方向的過程不能自動發(fā)生，或者說，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。,開氏表述實(shí)質(zhì)上在于說明功變熱的過程是不可逆的。,熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。它所揭示的客觀規(guī)律向人們指出了實(shí)際宏觀過程進(jìn)行的條件和方向。,克氏表述實(shí)質(zhì)上在于說明熱傳導(dǎo)過程是不可逆的。,11,不可逆過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例）,下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認(rèn)識第二定律的本質(zhì)。,熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。,在熱力學(xué)中，序：區(qū)分度。,對于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于無序的狀態(tài)。,首先理解有序和無序的概念。,一個(gè)被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個(gè)涂以不同顏色分子。,3.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義,熱力學(xué)第二定律的微觀意義,12,開始時(shí)，4個(gè)分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無規(guī)則運(yùn)動。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：,13,微觀態(tài)共有24=16種可能的方式，而且4個(gè)分子全部退回到A部的可能性即幾率為1/24=1/16。,一般來說，若有N個(gè)分子，則共2N種可能方式，而N個(gè)分子全部退回到A部的幾率1/2N。對于真實(shí)理想氣體系統(tǒng)N1023/mol，這些分子全部退回到A部的幾率為 。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠(yuǎn)不會發(fā)生。從任何實(shí)際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。,對單個(gè)分子或少量分子來說，它們擴(kuò)散到B部的過程原則上是可逆的。,對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向B部自由膨脹的宏觀過程實(shí)際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋。,14,第二定律的統(tǒng)計(jì)表述（依然看前例）,4個(gè)分子在容器中的分布對應(yīng)5種宏觀態(tài)。,左邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有幾個(gè)分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細(xì)的分布，具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各處于A或B哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)微觀態(tài)。,一種宏觀態(tài)對應(yīng)若干種微觀態(tài)。,不同的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同。,均勻分布對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多。 全部退回A邊僅對應(yīng)一種微觀態(tài)。,15,統(tǒng)計(jì)物理基本假定等幾率原理：對于孤立系，各種微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（或幾率）是相等的。,各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。,定義熱力學(xué)幾率：與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學(xué)幾率。記為 。,在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應(yīng)的微觀態(tài)最多，熱力學(xué)幾率最大，實(shí)際觀測到的可能性或幾率最大。,所以，實(shí)際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達(dá)到的平衡態(tài)。,對于1023個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率的總和相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為100%。,16,對整個(gè)宇宙不適用。,如布朗運(yùn)動。,平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下 最大的狀態(tài)。,熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過渡。,自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。,4.熱力學(xué)第二定律的適用范圍,注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀態(tài)。,一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。,1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，,2）孤立系統(tǒng)有限范圍。,17,卡諾循環(huán)是一個(gè)理想的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)，是可逆循環(huán)。它由兩條等溫線和兩條絕熱線組成的循環(huán)。,卡諾在研究熱機(jī)循環(huán)效率時(shí)，提出了卡諾定理。,內(nèi)容：,（2）在兩個(gè)給定（不同）溫度的熱源之間工作的兩類熱機(jī)，不可逆熱機(jī)的效率不可能大于可逆熱機(jī)的效率。,（1）相同高溫?zé)嵩矗═1）和低溫?zé)嵩矗═2） 之間工作的一切可逆機(jī)，不論用什么工作 物質(zhì) ，其效率都相等。且為：,18,由卡諾定理知：,任意熱機(jī)的效率：,A代表任意，R代表可逆。當(dāng)A為可逆熱機(jī)時(shí)，取“=”； 當(dāng)A為不可逆熱機(jī)時(shí)取“” 。,任意(arbitrary)可逆熱機(jī)的效率都等于以理想氣體為工質(zhì)的卡諾熱機(jī)的效率：,19,可逆熱機(jī)R和不可逆熱機(jī)I運(yùn)行于熱源TH和TL之間（圖a），與TH交換的熱量相等，皆為QH ，但與TL交換的熱量分別為QL和QL。對外作功分別為: AR=QH-QL AI=QH-QL,假設(shè)： I R ，即 AI AR,如圖(b)所示，令R 逆向循環(huán)成為制冷機(jī)，并將I 對外作功一部分AR驅(qū)動這部制冷機(jī)工作，而剩下的一部分AI-AR輸出。,欲證：,二者如此聯(lián)合工作的效果是：高溫?zé)嵩碩H恢復(fù)原狀，只是從低溫?zé)嵩碩L吸收熱量QL-