大學物理課件第Ⅵ章4

1、第四節(jié)第四節(jié) 熱力學第二定律及其統(tǒng)計意義熱力學第二定律及其統(tǒng)計意義問題？問題？熱力學第一定律體現(xiàn)熱力學過程的能量守恒，但是熱力學第一定律體現(xiàn)熱力學過程的能量守恒，但是能量守恒的過程卻不一定都能實現(xiàn)，說明能量守恒的過程卻不一定都能實現(xiàn)，說明熱力學過熱力學過程具有方向性程具有方向性系統(tǒng)經(jīng)歷的熱力學過程每一步都可沿相反的方向進行，系統(tǒng)經(jīng)歷的熱力學過程每一步都可沿相反的方向進行，使得系統(tǒng)和外界都使得系統(tǒng)和外界都完全恢復原狀完全恢復原狀，則該過程就稱為，則該過程就稱為可可逆過程逆過程。v 可逆過程可逆過程若系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程到達另一狀態(tài)，如若系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程到達另一狀態(tài)，如果存

2、在另一過程能夠使系統(tǒng)和環(huán)境完全恢復，則該過程果存在另一過程能夠使系統(tǒng)和環(huán)境完全恢復，則該過程稱為稱為可逆過程可逆過程。例如：例如：無摩擦的準靜態(tài)過程（無摩擦的準靜態(tài)過程（理想過程理想過程），真空中的單擺），真空中的單擺無摩擦力、黏滯力以及其他能量耗散，且過程進行得無限緩慢無摩擦力、黏滯力以及其他能量耗散，且過程進行得無限緩慢由這種準靜態(tài)過程組成的循環(huán)過程，既可以進行順由這種準靜態(tài)過程組成的循環(huán)過程，既可以進行順時針的正循環(huán)（熱機循環(huán)），又可以沿原循環(huán)曲線時針的正循環(huán)（熱機循環(huán)），又可以沿原循環(huán)曲線進行逆時針方向的逆循環(huán)（制冷機循環(huán)），則該循進行逆時針方向的逆循環(huán)（制冷機循環(huán)），則該循環(huán)過程稱為

3、可逆循環(huán)。環(huán)過程稱為可逆循環(huán)。可逆循環(huán)構(gòu)成的熱機稱為可逆熱機，可逆熱機的正循環(huán)可逆循環(huán)構(gòu)成的熱機稱為可逆熱機，可逆熱機的正循環(huán)為熱機循環(huán)，逆循環(huán)為制冷機循環(huán)。為熱機循環(huán)，逆循環(huán)為制冷機循環(huán)。v 不可逆過程不可逆過程如果某一過程一旦發(fā)生，采用任何方法都不能使系統(tǒng)和外如果某一過程一旦發(fā)生，采用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全恢復到原來狀態(tài)，則該過程就是界完全恢復到原來狀態(tài)，則該過程就是不可逆過程不可逆過程。自然界存在的實際熱力學過程均為不可逆過程自然界存在的實際熱力學過程均為不可逆過程q 熱傳導過程熱傳導過程溫度不同的兩物體接觸后，熱量溫度不同的兩物體接觸后，熱量自發(fā)自發(fā)地從溫度高的物體地從溫度高的

4、物體傳向溫度低的物體；反之，熱量從溫度低的物體傳向溫傳向溫度低的物體；反之，熱量從溫度低的物體傳向溫度高的物體的過程是不可能發(fā)生的。度高的物體的過程是不可能發(fā)生的。q 功變熱過程功變熱過程物體在粗糙地面上滑動時，不斷克服地面摩擦力和空物體在粗糙地面上滑動時，不斷克服地面摩擦力和空氣阻力做功，氣阻力做功，自發(fā)自發(fā)地將動能轉(zhuǎn)化為物體、接觸面的分地將動能轉(zhuǎn)化為物體、接觸面的分子熱運動的內(nèi)能；反之，從靜止物體的內(nèi)能中以釋放子熱運動的內(nèi)能；反之，從靜止物體的內(nèi)能中以釋放熱量的方式減小部分內(nèi)能，將釋放熱量完全轉(zhuǎn)化為功，熱量的方式減小部分內(nèi)能，將釋放熱量完全轉(zhuǎn)化為功，使物體運動起來的過程是不可能發(fā)生的。使物

5、體運動起來的過程是不可能發(fā)生的。q 氣體自由膨脹過程氣體自由膨脹過程隔板打開后，氣體將會不受障礙隔板打開后，氣體將會不受障礙自發(fā)自發(fā)地向真空空間膨脹，導致最后氣體充地向真空空間膨脹，導致最后氣體充滿容器的整個空間；反之，自由膨脹滿容器的整個空間；反之，自由膨脹后的氣體自動收縮，使氣體重回到膨后的氣體自動收縮，使氣體重回到膨脹前所占空間的過程是不可能發(fā)生的。脹前所占空間的過程是不可能發(fā)生的。隔板將容器分成兩部分，分別裝不同性質(zhì)隔板將容器分成兩部分，分別裝不同性質(zhì)的氣體，打開隔板后，兩種氣體將的氣體，打開隔板后，兩種氣體將自發(fā)自發(fā)地地相互擴散混合，直至完全混合均勻位置；相互擴散混合，直至完全混合均

6、勻位置；反之，完全混合均勻的兩種性質(zhì)不同的氣反之，完全混合均勻的兩種性質(zhì)不同的氣體，自發(fā)地相互分離而回到擴散前完全分體，自發(fā)地相互分離而回到擴散前完全分開的狀態(tài)是不可能的。開的狀態(tài)是不可能的。q 氣體擴散過程氣體擴散過程自發(fā)：自發(fā)：在由過程所涉及的物體組成的系統(tǒng)內(nèi)，過程就能在由過程所涉及的物體組成的系統(tǒng)內(nèi)，過程就能自動發(fā)生，而不需要外界物體的作用或狀態(tài)發(fā)生變化。自動發(fā)生，而不需要外界物體的作用或狀態(tài)發(fā)生變化。與熱現(xiàn)象有關(guān)的、自發(fā)發(fā)生的任何宏觀過程都是有方向與熱現(xiàn)象有關(guān)的、自發(fā)發(fā)生的任何宏觀過程都是有方向的，即都是的，即都是不可逆過程不可逆過程。v 開爾文表述（開爾文表述（1851年）年）不可能

7、只從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不可能只從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它變化不引起其它變化說明：說明：不引起其它變化：工作物質(zhì)除了從熱源吸收熱不引起其它變化：工作物質(zhì)除了從熱源吸收熱量而對外工作外，其它狀態(tài)參量不發(fā)生變化量而對外工作外，其它狀態(tài)參量不發(fā)生變化單一熱源：指溫度均勻恒定的熱源單一熱源：指溫度均勻恒定的熱源表明表明“功變熱功變熱”過程是不可逆過程過程是不可逆過程，其逆過程，其逆過程“熱變功熱變功”的過程一定使系統(tǒng)和外界發(fā)生變化的過程一定使系統(tǒng)和外界發(fā)生變化第二類永動機第二類永動機是不可能制成的是不可能制成的只從單一熱源吸熱而對外做功的熱機只從單一熱源吸熱而對外

8、做功的熱機地球表面有地球表面有10億立方千米的海水，以海水作億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低O.25度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年足夠全世界使用一千年 熱機能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C械功，一定伴隨有熱量熱機能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C械功，一定伴隨有熱量的損失，因此熱機效率不可能等于的損失，因此熱機效率不可能等于1 1 v 克勞修斯表述（克勞修斯表述（1850年）年）熱量不能熱量不能自動地自動地從低溫物體傳向高溫物體從低溫物體傳向高溫物體 說明：說明：自動地：指在傳熱過程中不引

9、起其他變化自動地：指在傳熱過程中不引起其他變化表明表明熱傳導過程是不可逆過程熱傳導過程是不可逆過程，使熱量從低，使熱量從低溫物體傳到高溫物體，一定會使系統(tǒng)或外界引溫物體傳到高溫物體，一定會使系統(tǒng)或外界引起變化，例如制冷機制冷過程起變化，例如制冷機制冷過程v 熱力學第二定律的實質(zhì)熱力學第二定律的實質(zhì)開氏和克氏從兩個不同角度闡述一切實際的宏觀熱開氏和克氏從兩個不同角度闡述一切實際的宏觀熱力學過程都是不可逆的，熱力學第二定律反映了這力學過程都是不可逆的，熱力學第二定律反映了這種不可逆過程進行的條件和方向種不可逆過程進行的條件和方向熱力學第二定律的兩種表述是等價的熱力學第二定律的兩種表述是等價的利用反證法證明利用反證法證明q 在相同的高溫熱源在相同的高溫熱源T1與相同的低溫熱源與相同的低溫熱源T2之間之間工作的可逆卡諾熱機，其效率僅與工作的可逆卡諾熱機，其效率僅與T1與與T2有關(guān)，有關(guān)，而與工作物質(zhì)無關(guān)，且而與工作物質(zhì)無關(guān)，且卡諾循環(huán)可分為卡諾循環(huán)可分為可逆卡諾循環(huán)可逆卡諾循環(huán)和和不可逆卡諾循環(huán)不可逆卡諾循環(huán)q 在相同的高溫熱源和低溫熱源之間工作的不可在相同的高溫熱源和低溫熱源之間工作的不可逆熱機效率總是低于可逆熱機效率逆熱機效率總是低于可逆熱機效率說明：說明：1. 工作在相同高溫熱源工作在相同高溫熱源T1和低溫熱源和低溫熱源T2之間的熱