熱力學第二定律微觀解釋ppt課件

.,熱力學第二定律的微觀解釋,.,一個“妖精”，神通廣大，能跟蹤充滿容器的每個氣體分子的運動。把這個容器用一道隔板分為A，B兩部分，并在隔板上安裝一個閥門，當閥門打開時單個氣體分子可以從容器的一部分經(jīng)過閥門進入另一部分去。,假設這個容器開始時完全充滿了一定溫度的氣體，按照熱的動力論，一定的溫度對應于分子的一定的平均溫度，因為氣體分子的運動具有隨機性質(zhì)，有的分子的速度將大于平均值，有的則將小于平均值。妖精在適當?shù)臅r候打開閥門，讓快的分子從B進入A，慢的分子從A進入B，結(jié)果不須消耗能量，B部分的溫度就下降，A部分的溫度就上升，熱量可以自發(fā)地從低溫物體流向高溫物體。,.,一般的解釋是：妖精必須得到一些“知識”，才能把“快”分子和“慢”分子區(qū)分開來。為了獲得這些信息，要不要消耗能量？如果需要，則容器、氣體、隔板、妖精作為封閉系統(tǒng)，為得到所要信息所需的能量，將不大于因利用這一信息而消耗的能量，并沒有違反熱力學第二定律。,麥克斯韋的妖精能破壞熱力學第二定律嗎？,.,自發(fā)過程總是從有序到無序演化,但是麥克斯韋的妖精可以使其向有序化發(fā)展，酶，就是生命中的麥克斯韋的妖精；而人類全體作為麥克斯韋的妖精，增加著社會的有序度。畢竟，“妖精”，用通俗的話說，是個生物，也是個信息系統(tǒng)，“妖精”就是對宇宙演化的一種抗爭。,.,熱力學第二定律的微觀解釋,.,熱力學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現(xiàn)呢？,實驗表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都是有方向性的。,熱傳導過程,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際過程是按一定的方向進行的，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。,.,熱力學第一定律無法對這類問題作出解釋，需要一個獨立于熱力學第一定律的新的自然規(guī)律，即熱力學第二定律來解釋。,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)出熱力學過程進行的限度。,1.開爾文表述,以熱機為例，熱機的循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫熱源傳給低溫熱源，即產(chǎn)生了其它效果。,.,熱全部變?yōu)楣Φ倪^程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但這時引起了其它的變化。,開爾文表述否定了熱機效率能達百分這百的可能性,高溫熱源T1,=0,第二類永動機（單熱機）不能制成。,第二類永動機,.,高溫熱源T1,低溫熱源T2,與之相應的經(jīng)驗事實是，當兩個不同溫度的物體相互接觸時，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，當然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價，也就是引起了其它變化。克氏表述指明熱傳導過程是有方向的。,2、克勞修斯表述,熱量不能自動地從低溫熱源傳到高溫熱源而不引起其它的變化。,.,1.從開爾文表述入手,假定單熱機是可以造成的，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，則單熱機也能造成。,熱力學過程是有方向性的。,.,2.可逆過程與不可逆過程,為了進一步研究熱力學第二定律的含義和熱力學過程方向性問題，引入可逆過程的概念。,一個系統(tǒng)，由一個狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程達到另一狀態(tài)，如果存在另一個過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復原（即系統(tǒng)回到原來狀態(tài)，同時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；,單擺運動：一個單擺，如果不受空氣阻力及其它摩擦力，當它離開某一位置后，經(jīng)過一個周期又回到原來的位置而周圍一切都無變化。,反之，如果物體不能回復到原來狀態(tài)或當物體回復到原來狀態(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動是一個可逆過程。,.,單純的無機械能耗散的機械運動過程都是可逆過程。,理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的。在隔板被抽去的瞬間，氣體聚集在左半部，這是一種非平衡態(tài)，此后氣體將自動膨脹充滿整個容器。最后達到平衡態(tài)。其反過程由平衡態(tài)回到非平衡態(tài)的過程不可能自動發(fā)生。,在熱現(xiàn)象中，可逆過程只有在準靜態(tài)和無摩擦的條件下才有可能。無摩擦準靜態(tài)過程是可逆的。,經(jīng)驗和事實表明，自然界中真實存在的過程都是按一定方向進行的，都是不可逆的。,理想氣體熱傳導過程是不可逆的。熱量總是自動地由高溫物體傳向低溫物體，從而使兩物體溫度相同，達到熱平衡。從未發(fā)現(xiàn)其反過程，使兩物體溫差增大。,.,可逆?zhèn)鳠岬臈l件是：系統(tǒng)和外界溫差無限小，即等溫熱傳導。,氣體的迅速膨脹過程是不可逆的。,但是當氣體膨脹非常緩慢又沒有其它摩擦時，它卻是可逆的。,結(jié)論：,1）一切自發(fā)過程都是不可逆過程。,2）準靜態(tài)過程（無限緩慢）+無摩擦的過程是可逆過程。,3）一切實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，絕不能真正達到。因為，實際過程都是以有限的速度進行，且在其中包含摩擦，粘滯，電阻等耗散因素，必然是不可逆的。,.,可逆過程是理想化的過程。,強調(diào)：不可逆過程不是不能逆向進行，而是說當過程逆向進行時，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。,熱力學第二定律說明了自然界的實際過程是按一定的方向進行的，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。,開氏表述實質(zhì)上在于說明功變熱的過程是不可逆的。,熱力學第二定律的實質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。它所揭示的客觀規(guī)律向人們指出了實際宏觀過程進行的條件和方向。,克氏表述實質(zhì)上在于說明熱傳導過程是不可逆的。,.,1.有序和無序,有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。,無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。,無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。,有序和無序是相對的。,2.宏觀態(tài)和微觀態(tài),宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)。,微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。,系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性從有序到無序。,3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義,.,不可逆過程的統(tǒng)計性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例）,一個被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個涂以不同顏色分子，下圖是分布情況。,.,17,第二定律的統(tǒng)計表述（依然看前例）,4個分子在容器中的分布對應5種宏觀態(tài)。,各種分布的狀態(tài)總數(shù),分布的可能狀態(tài)數(shù),分布幾率,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,.,熵與熱力學概率玻耳茲曼關系式,熱力學概率（微觀狀態(tài)數(shù)）、無序度、混亂度.,分布幾率,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,“熵”(用S表示)是德國物理學家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個術(shù)語，他用熵來表示任何一種能量在空間分布的均勻程度。,玻耳茲曼證明了熵S與微觀態(tài)數(shù)目（分布幾率）之間的關系，普朗克把它寫成,熱力學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行。,.,熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。,S=Kln,從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。,在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小,熵增加原理,熵與熵增加原理,.,對整個宇宙不適用。,平衡態(tài):相應于一定宏觀條件下最大的狀態(tài)。最平均、最無序、最混亂。,熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：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，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。,自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學幾率增大的方向進行。,4.熱力學第二定律的適用范圍,一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。,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。,可逆過程：熵不變，實際不存在，如等溫過程，實際不存在不可逆過程：熵增加,.,.,.,.,24,耗散結(jié)構(gòu),（1）宇宙真的正在走向死亡嗎？實際宇宙萬物，宇宙發(fā)展充滿了無序到有序的發(fā)展變化.,（2）生命過程的自組織現(xiàn)象生物體的生長和物種進化是從無序到有序的發(fā)展.,.,25,（3）無生命世界的自組織現(xiàn)象云、雪花、太陽系、化學實驗、熱對流、激光等.,（和外界有能量交換和物質(zhì)交換的系統(tǒng)叫開放系統(tǒng)）,（4）開放系統(tǒng)的熵變,開放系統(tǒng)熵的變化,.,有效能量告罄時，是“熱寂”死寂的熱平衡狀態(tài)。有效物質(zhì)耗盡時，是一片“物質(zhì)混亂”整個宇宙的大混亂和大混沌。物理學家們認為，熵定律是物質(zhì)世界的最終定律，人類參與的每一項物質(zhì)活動都受到熱力學第一、第二定律的嚴密制約；但是，他們又認為熵定律只涉及物質(zhì)世界，只控制時空的橫向世界，人類的精神世界并不受熵定律的專制統(tǒng)治！所以，生命的現(xiàn)象是宇宙洪流中的一股逆流！人類精神的無限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長河中的一條逆流之舟！,.,1電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了A熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C熱量的傳導過程不具有方向性D在自發(fā)地條件下熱量的傳導過程具有方向性,BD,.,2.一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？,解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。,.,3.下面關于熵的說法錯誤的是A熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度B在孤立系統(tǒng)中，一個自發(fā)的過程總是向熵減少的方向進行C熱力學第二定律的微觀實質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學第二定律又叫熵增加原理D熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序,精與解熱力學第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過程是大量分子的有序運動向無序運動轉(zhuǎn)化，氣缸內(nèi)燃氣推動活塞做功燃氣分子作有序運動，排出氣缸后作越來越無序的運動。物理學中用熵來描述系統(tǒng)大量分子運動的無序性程度。熱力學第二定律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，也就是說，一個孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。,B,.,4.關于有序和無序下列說法正確的是（）A有序和無序不是絕對的B一個“宏觀態(tài)”可能對應著許多的“微觀態(tài)”C一個“宏觀態(tài)”對應著唯一的“微觀態(tài)”D無序意味著各處一樣、平均、沒有差別,ABD,5.根據(jù)熱力學第二定律判斷，下列說法正確的是（）A內(nèi)能可以自發(fā)的轉(zhuǎn)變成機械能B擴散的過程完全可逆的C火力發(fā)電時，燃燒物質(zhì)的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為電能D熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體,CD,.,6.倒一杯熱水，然后加入適當?shù)奶呛?，糖會全部溶于水中，但一段時間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關于這個過程下列敘述正確的是（）A溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學第二定律是錯誤的B溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程C結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程D結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因為有外界的影響,BD,7.下列說法正確的是()A如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布，則B分布更無序B如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布，則A分布更無序C大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進入B分布，則該過程是可逆的D大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進入B分布，則該過程是不可逆的,AD,.,8.一個密閉的容器內(nèi)有稀薄氣體，在容器上開一個小口，外部的空氣就會流入容器，在氣體流入過程中，容器內(nèi)靠近開口處的空氣密度暫時變得比內(nèi)部大，以下說法正確的是（）A此時容器內(nèi)氣體處于一個不平衡狀態(tài)，是一個最無序的狀態(tài)B外界的影響破壞了容器內(nèi)氣體的平衡C上面事實說明熱力學第二定律只適用于封閉系統(tǒng)D對一個開放系統(tǒng)并不一定是最無序的分布,BCD,.,9.下列說法正確的是（）A熱力學第二定律只在一定前提條件下才能成立B熱力學第二定律揭示了一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行C能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性D熱力學第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過程的方向性,ABCD,10.從微觀角度看（）A熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B一個孤立系統(tǒng)總是從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展C一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大D出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大,ACD,.,11.下列說法正確的是（）A與熱現(xiàn)象有關的自發(fā)的宏觀過程是有方向性的B與熱現(xiàn)象有關的自發(fā)的宏觀過程是熵增加的過程C氣體擴散現(xiàn)象向著無序性增加的方向進行,是可逆過程D機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是系統(tǒng)的熵增加的過程,ABD,.,10.6能源和可持續(xù)發(fā)展,第十章熱力學定律,.,問題：根據(jù)能量守恒定律，能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變。為什么還要節(jié)約能源？,一、能量耗散和品質(zhì)降低根據(jù)熱力學第二定律，能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中有方向性，使能量由高品質(zhì)變成低品質(zhì)，由便于利用變成不