大學物理 第22章 熱力學第二定律

1.功熱轉換：熱自動地全部轉換為功不可能例：凡符合熱力學第一定律的過程---即符合能量守恒的過程是否都能實現(xiàn)呢？22.1自然過程的方向性功熱功熱自動22熱力學第二定律熵12.熱傳導：熱量自動從低溫物體傳到高溫物體不可能3.氣體的絕熱自由膨脹：氣體絕熱自由收縮不可能結論：一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都有方向性，是不可逆的。高溫低溫自動密度大密度小密度大密度小2可逆過程與不可逆過程

一個過程，如果每一步都可以沿相反的方向進行而不引起外界的任何其他變化，該過程為可逆過程。用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界同時恢復原來狀態(tài)的過程是不可逆過程1、真空中單擺運動單純的無耗散（無摩擦）的機械運動是可逆過程。2、P1<P2，|A1|<|A2|，P1A1P2A2密度小密度大不可逆過程準靜態(tài)過程+無磨擦的過程是可逆過程。

3準靜態(tài)過程+無磨擦的過程是可逆過程。

（過程“無限緩慢”）可逆過程是理想化的過程。落葉永離，覆水難收，一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都有方向性，是不可逆的。

生命過程就是不可逆的:

出生“今天的你我怎能重復過去的故事!”童年少年青年中年老年41、開爾文（Kelvin)表述單一熱源（T）熱機A、單一熱源是指溫度均勻且恒定不變的熱源；等溫膨脹雖是從單一熱源吸收熱量全部對外作功，但體積膨脹了。恒溫體AB、“其它影響”是指從單一熱源吸收熱量及把熱量對外作功以外的任何變化。不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其它影響。22.2熱力學第二定律卡諾定理5C、熱力學第二定律指出了效率100%的熱機制造不出來。如果能從單一熱源吸收熱量對外作功而不產生其它影響，則：100%第二類永動機：從單一熱源吸收熱量全部轉化為機械功而不產生其它影響的一種循環(huán)動作的機器。Kelvin表述：第二類永動機是制造不出來的。2、克勞修斯（Clausius）表述高溫熱源（T2）低溫熱源（T1）熱量不會自動地從低溫熱源傳向高溫熱源而不引起其他變化6

二、不可逆性的相互依存1、若熱傳導的方向性消失-------則功熱轉換的方向性也消失

由某一種過程的方向性的存在(或消失)，可以推斷另一種過程的方向性的存在(或消失)

各種自然的宏觀過程都是有方向性的，而且它們的方向性又是相互依存的.3、氣體的絕熱膨脹的方向性消失-----功變熱的方向性消失2、若功熱轉換的方向性消失-----則熱傳導的方向性也消失熱二律的實質是表明一切自發(fā)過程都是不可逆的。2、歷史上這兩人最先完整地提出熱力學第二定律1、熱功轉換與熱量傳遞是熱力學的重要事例7兩種表述的等效性Q1-Q2T1Q2Q1A=Q1-Q2Q2Q2T2T1Q2Q1Q1+Q2A=Q1Q2T2否定克勞修斯表述必然否定開爾文表述否定開爾文表述必然否定克勞修斯表述（不可逆性表述的一致性或相互依存性）8例、證明：（1）一條等溫線與一條絕熱線不可能有兩個交點；（2）兩條絕熱線不可能相交。分析：這類問題一般可以用反證法證明。假定一條等溫線與一條絕熱線有兩個交點，則構成一個循環(huán)，分析這個循環(huán)是否符合熱力學第二定律，同樣的方法可以證明第二個命題。Vp等溫線Oacbd絕熱線解：（1）如圖所示，設acb為等溫線，adb為絕熱線，它們相交與a、b兩點，于是構成一個循環(huán)過程。這個循環(huán)過程可以由初態(tài)從等溫過程（熱源）吸收熱量，對外界做功，再通過絕熱過程又回到初態(tài)。這種單一熱源工作的循環(huán)是違背熱力學第二定律（開爾文表述）的，因此絕熱線與等溫線不可能有兩個交點。9bcaVOp絕熱線等溫線假設兩條絕熱線相交于a點，如圖所示。另外作一條等溫線與兩條絕熱線分別相交于b、c兩點，從而形成一個循環(huán)abca，這個循環(huán)也是由單一熱源工作的循環(huán)，顯然違背了熱力學第二定律（開爾文表述）的，所以兩條絕熱線不可能相交。10

2）在相同的高低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機的效率，不可能高于可逆機。即：

1）在相同高溫熱源（T1）和低溫熱源（T2）之間工作的一切可逆機，不論用什么工作物質，其效率都相等。即例：用熱力學第二定律證明卡諾定理(1)

熱源—溫度均勻的恒溫熱源說明(2)

只有兩個熱源—這樣的可逆熱機必為卡諾熱機(3)

卡諾熱機(卡諾循環(huán))的效率是一切熱機效率的最高極限。

11T1T2A可逆機E可逆機E’證明：一卡諾理想可逆熱機E與另一可逆熱機E’（不論什么工作物質）反證法：設法調節(jié)使兩熱機作相同的功A先假設可知因為所以對復合機違反克勞修斯說法不可能讓E機和E’機逆向運行并假設同理可證不可能結論：12T1T2A可逆機E不可逆機E’’用不可逆熱機E’’代替可逆熱機E’同樣方法可以證明不可能但由于E’’機不可逆，無法在原路線反向運行所以無法證明不可能結論：（可逆熱機）（不可逆熱機）即不可逆熱機的效率不可能大于可逆熱機的效率可逆的卡諾熱機效率最高由于不可逆過程中有摩擦：（可逆熱機）（不可逆熱機）13能量品質熱力學第二定律指出：循環(huán)動作的熱機從高溫熱源吸收的能量只有一部分可以利用來做宏觀功這部分能量為‘有用能’（或可資利用能）能量中‘可利用能’越多，能量的品質越好。提高熱機的效率就是提高能量品質的一種有效手段14對可逆卡諾循環(huán)所以對任一可逆循環(huán)，可以看作由無數(shù)個很小的卡諾循環(huán)組成。圖pV0ABR1R2(可逆）（可逆）則有則（R1)(R2)只與初末狀態(tài)有關，而與過程無關。22.3克勞修斯熵（熱力學熵）

15引入態(tài)函數(shù)S對于微小可逆循環(huán)對不可逆循環(huán)，由卡諾定理：得對任意不可逆循環(huán)

設不可逆循環(huán)ABBAR1為不可逆過程R2為可逆過程pV0ABR1R2(不可逆）（可逆）16則(R1)(R2)(R1)(R2)（不可逆）（可逆）（不可逆）（可逆）所以(R1）(R2)（不可逆）（可逆）（不可逆）總之，及等號適用于可逆過程不等號適用于不可逆過程克勞修斯不等式對孤立系統(tǒng)：熵增加原理孤立系統(tǒng)自發(fā)過程的方向總是沿著熵增加的方向進行.17結論：（任意系統(tǒng)可逆過程）對于孤立系統(tǒng)、可逆過程：對于孤立系統(tǒng)：對于孤立系統(tǒng)、自發(fā)過程：任意系統(tǒng)、可逆過程：由熱力學第一定律熱力學基本方程熵增加原理18熵變計算克勞修斯熵(熱力學熵)只適用于平衡態(tài)熵變計算一般采用克勞修斯熵(熱力學熵)（注意：只適用于可逆過程）計算不可逆過程初末兩態(tài)的熵差的方法A、設計一個連接同樣始末態(tài)的任意可逆過程計算B、利用狀態(tài)參量，帶入熵的表達式中計算?？赡孢^程和不可逆過程所引起的系統(tǒng)狀態(tài)變化一樣，但外界的變化是不同的19例、1mol氫氣（視為理想氣體）在狀態(tài)1時溫度為T1=300K，體積V1=20L，經過不同的過程到達末態(tài)2，體積V2=40L，如圖所示。其中1→2為等溫過程；1→4為絕熱過程；1→3和4→2為等壓過程；3→2為等體過程。分別計算由三條路線狀態(tài)1到狀態(tài)2的熵變。1342VpOV1=20LV2=40LT1=300K解:（1）1→3→2過程的熵變?yōu)椋篢1=T2，201342VpOV1=20LV2=40LT1=300K（2）1→2過程（3）1→4→2過程：1→4為絕熱過程：211342VpOV1=20LV2=40LT1=300K從狀態(tài)1到狀態(tài)4，由絕熱方程可以得到：可以得到：代入上面式子，可以得到：從以上三個結論可以看出：熵是一個狀態(tài)函數(shù)，不管沿著什么樣的過程，始末狀態(tài)的熵變是一定的。22設計初末態(tài)過程由等容過程和等溫過程組成VPT0,V0T,V0T,V等容過程等溫過程熵：狀態(tài)函數(shù)，跟過程無關。例:求理想氣體從狀態(tài)()至()狀態(tài)的熵變.23p0V0V0例：用熵增加原理分析理想氣體絕熱自由膨脹的不可逆性設計一個可逆過程等溫膨脹等溫膨脹內能不變對外做功吸熱Q>0p0V0V0兩過程初末狀態(tài)相同（絕熱，不做功，內能不變，溫度不變）24例；證明熱傳導的不可逆性。設有兩相同的容器裝有相同的氣體，質量均為M，溫度為T1，T2（T1>T2）。當兩容器接觸dt時間從高溫氣體向低溫氣體傳遞了熱量：溫度由很小可視為準靜態(tài)過程。Q1Q2Q2+dQdQQ1-dQ兩容器中氣體作為一孤立系統(tǒng)系統(tǒng)總熵變：系統(tǒng)熵變是增加的，說明從高溫到低溫的熱傳遞是能實現(xiàn)的。（T1>T2）25當兩容器接觸時經dt時間從低溫氣體向高溫氣體傳遞了熱量：熵變：系統(tǒng)熵變：不符合熵增加原理，故不能實現(xiàn)。熱量只能自動地從高溫傳到低溫物體。Q1Q2Q2-dQQ1+dQdQ（T1>T2）2623.4熱力學概率熱力學過程是系統(tǒng)中大量分子運動無序程度（混亂程度）的變化.1、功熱轉化（焦耳試驗）無序度增加MAAAT+Tm2、熱傳導無序度增加高溫低溫初態(tài)末態(tài)

溫度不同溫度相同

可區(qū)分(較有序)不可區(qū)分(更無序)

功

熱機械能內能有序運動無序(混亂)運動一、熱力學第二定律與無序（定性）273、理想氣體絕熱自由膨脹從分子的位置看無序性變化無序度增加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.初態(tài)末態(tài)

小區(qū)域

大區(qū)域

位置較有序

位置更無序過程的方向性狀態(tài)的無序性過程具有方向性定量地描寫？

熱力學第二定律說明系統(tǒng)中大量分子運動無序程度（混亂程度）的變化規(guī)律28（中間隔板打開）AB可以看出：各宏觀態(tài)中平衡態(tài)出現(xiàn)的概率最大。以氣體的絕熱自由膨脹為例：（其微觀狀態(tài)數(shù)最多）熱力學第二定律的微觀意義：自發(fā)過程總是向微觀狀態(tài)數(shù)大的方向進行。ABabcdabcdabdcacdbbcdaabcdacbdbcadabcdacbcbdadabcabdacdbcddcbaabcd14641可能出現(xiàn)多種宏觀狀態(tài)熱力學概率Ω：任一宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)數(shù)。二、宏觀狀態(tài)與微觀狀態(tài)29三、熱力學概率Ω：任一宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)數(shù)2、對于孤立系，在一定條件下的平衡態(tài)（粒子均勻分布）的熱力學概率Ω最大，氣體的自由膨脹過程是由非平衡態(tài)向平衡態(tài)轉化的過程，是由Ω小的宏觀狀態(tài)向Ω大的宏觀狀態(tài)轉化的過程.3、對于孤立系，Ω不是最大值就是非平衡態(tài).系統(tǒng)將隨時間的延續(xù)向Ω增大的方向過渡，即平衡態(tài)過渡例：1、宏觀狀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)不同，則宏觀態(tài)不同（P,T值不同）4、熱力學概率Ω是分子運動無序性的一種量度。熱力學第二定律的微觀意義：自發(fā)過程總是向微觀狀態(tài)數(shù)大的方向進行3022.5玻耳茲曼熵“自然界的一切過程都是向著微觀狀態(tài)數(shù)大的方向進行的”1877年，玻耳茲曼玻耳茲曼熵（統(tǒng)計熵）一、熵的定義定義：某系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的熵其中：玻爾茲曼常數(shù)系統(tǒng)此時的微觀狀態(tài)數(shù)熱力學概率Ω：任一宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)數(shù)31說明：1、對應是微觀狀態(tài)數(shù)，是狀態(tài)量2、熵是熱力學系統(tǒng)（無序度）混亂程度大小的量度一個系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)的熱力學概率分別為Ω1和Ω2熵分別為S1和S2則大系統(tǒng)的3、熵相加性4、克勞修斯熵和玻爾茲曼熵：前者只能用于描述平衡態(tài)，后者則可以用于描述非平衡態(tài)。32熱力學第二定律統(tǒng)計意義由熱力學第二定律孤