第5講-熱力學(xué)-熵與生命課件

5.1熱力學(xué)的基本概念5.2熱力學(xué)第一定律5.3循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)

5.4熱力學(xué)第二定律

5.5熵熵增加原理5.6熵與生命第5章熱力學(xué)熵與生命5.1熱力學(xué)的基本概念

5.1.1準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程從初態(tài)到末態(tài)的每一個(gè)中間狀態(tài)都可以近似地視為平衡態(tài)的過(guò)程.

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是無(wú)限緩慢過(guò)程的極限，它是一個(gè)理想過(guò)程(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的過(guò)程曲線可以用p-V圖來(lái)描述,圖上的每一點(diǎn)分別表示系統(tǒng)的一個(gè)平衡態(tài).

5.1.2功結(jié)論：功在數(shù)值上等于過(guò)程曲線下面積。對(duì)外做功為正。功與過(guò)程有關(guān)，并非狀態(tài)函數(shù)。(p2,V2,T2)(p1,V1,T1)pVOdVV1V25.1.3熱量系統(tǒng)之間由熱相互作用而傳遞的能量。熱功當(dāng)量：1卡=4.186焦耳5.1.4內(nèi)能理想氣體內(nèi)能：理想氣體的內(nèi)能只與分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能有關(guān)，是溫度的單值函數(shù)。理想氣體分子的自由度.雙原子氣體，如氫、氧、氮等五個(gè)自由度單原子氣體，如氦、氬等三個(gè)自由度六個(gè)自由度多原子氣體，如水蒸汽、甲烷等例：1mol剛性雙原子分子理想氣體的內(nèi)能為多少？例：如圖所示為一定量的理想氣體的p—V圖，由圖可得出結(jié)論（A）是等溫過(guò)程；（C）（D）（B）例：有兩個(gè)系統(tǒng)，分別裝有可以看作理想氣體的質(zhì)量相同的H2和He，兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)能相同，若裝有H2的系統(tǒng)的溫度為300K，那么裝有He的系統(tǒng)溫度為

。（1000K）5.2熱力學(xué)第一定律

5.2.1的數(shù)學(xué)描述外界對(duì)系統(tǒng)做功和外界對(duì)系統(tǒng)傳遞熱量均使系統(tǒng)的內(nèi)能增加.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化應(yīng)該服從能量守恒定律，即狀態(tài)的微小變化過(guò)程——熱力學(xué)第一定律5.2.2熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用

1.等體過(guò)程氣體的摩爾定體熱容系統(tǒng)作功：定義：摩爾定體熱容2.等壓過(guò)程氣體的摩爾定壓熱容功：內(nèi)能：熱量：?jiǎn)栴}：1mol氣體溫度每升高1k所需要的熱量是多少？摩爾定壓熱容與摩爾定體熱容的關(guān)系：——邁耶公式

摩爾熱容比（絕熱系數(shù)）：定義摩爾定壓熱容：3.等溫過(guò)程T=恒量，dE=0例題5-1今有0.016kg的氧氣，初始為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，經(jīng)歷下列各過(guò)程并吸收熱量300J，若過(guò)程（1）為等溫過(guò)程，求終態(tài)體積；（2）為等體過(guò)程，求終態(tài)壓強(qiáng)；（3）為等壓過(guò)程，求內(nèi)能的變化.例題

質(zhì)量為2.810-3kg,壓強(qiáng)為1atm,溫度為27℃的氮?dú)?先在體積不變的情況下使其壓強(qiáng)增至3atm,再經(jīng)等溫膨脹使壓強(qiáng)降至1atm,然后又在等壓過(guò)程中將體積壓縮一半.試求氮?dú)庠谌窟^(guò)程中的內(nèi)能變化、所做的功以及吸收的熱量,并畫(huà)出pV圖.解:V3V4Vp/atm132V11234等體過(guò)程:V3V4Vp/atm132V11234等溫過(guò)程:等壓過(guò)程:V3V4Vp/atm132V11234例：對(duì)于室溫下的雙原子分子理想氣體，在等壓膨脹的情況下，系統(tǒng)對(duì)外所作的功與從外界吸收的熱量之比W/Q等于多少？）

5.2.3生命系統(tǒng)的能量交換和代謝生物體變化速率外界開(kāi)放能量的交換（傳熱、做功）物質(zhì)交換（食物、廢料）假定環(huán)境溫度恒定在時(shí)間Dt

內(nèi)，人體對(duì)外所做的功人體放出的熱量熱力學(xué)第一定律通過(guò)觀察人把食物轉(zhuǎn)換為能量和廢物時(shí)利用氧的速率來(lái)測(cè)量。無(wú)論是睡眠還是活動(dòng)，人體都在不停地消耗內(nèi)能.如食物在分解代謝過(guò)程中需要耗氧．以葡萄糖為例,完全氧化180g的葡萄糖需要134.4L的氧,產(chǎn)生的熱量為686kcal.每升氧產(chǎn)生的熱量是:每克葡萄糖產(chǎn)生的熱量為一人以100L/h的速率耗氧,由內(nèi)能的變化率可得例：體重為70kg的20歲的男性，靜臥但醒著時(shí)耗能為1卡=4.186焦耳表5-2DE大部分直接轉(zhuǎn)換為熱量，其余的用來(lái)在體內(nèi)做功。在生物體內(nèi)，食物不是直接被利用，而是轉(zhuǎn)換成像三磷酸腺甙（dài

）（ATP）.這種物質(zhì)可以被各種組織利用.在這個(gè)轉(zhuǎn)換中，大約55%的內(nèi)能以熱的形式損失，其余的45%用來(lái)在體內(nèi)器官中做內(nèi)部的功使骨骼肌收縮而對(duì)外做功。例：一個(gè)65kg的人騎自行車(chē)，根據(jù)表5-2的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出他所消耗內(nèi)能的速率為騎了4個(gè)小時(shí)，則消耗的內(nèi)能為若消耗的能量來(lái)自體內(nèi)脂肪，查表5-1中數(shù)據(jù)，可計(jì)算此期間用去的脂肪為思考題5-265kg的人靜坐一整天需要消耗多少內(nèi)能？比較騎車(chē)人，對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，減少體重更為實(shí)際的方法是限制進(jìn)食還是運(yùn)動(dòng)鍛煉？5.3循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)

5.3.1循環(huán)過(guò)程及其效率循環(huán)過(guò)程：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列的變化過(guò)程又回到初始狀態(tài)的過(guò)程。循環(huán)特征：經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)過(guò)程后，內(nèi)能不變。目的：制造能連續(xù)進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換的機(jī)器——熱機(jī)、制冷機(jī)熱機(jī)：獲得有用功吸熱膨脹蒸汽機(jī)的工作原理圖：工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩刺帲ㄥ仩t）吸收熱量，通過(guò)渦輪機(jī)對(duì)外做功，再在低溫?zé)嵩刺帲ɡ淠鳎┓懦鰺崃浚?jīng)水泵回到原狀態(tài).完成一次循環(huán)。5.3.2卡諾循環(huán)最理想的熱機(jī)高溫?zé)嵩吹臏囟仍礁撸蜏責(zé)嵩吹臏囟仍降?，卡諾循環(huán)的效率越大.但熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，那么最大效率到底能達(dá)到多少？正是對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究促成了熱力學(xué)第二定律的建立.實(shí)際最高效率：例.熱電廠按卡諾循環(huán)計(jì)算：非卡諾循環(huán)、耗散（摩擦等）冷凝塔鍋爐發(fā)電機(jī)原因：例：1mol氦氣經(jīng)過(guò)圖所示的ABCDA循環(huán)。求：（1）在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中氣體吸收的熱量和所做的功；(2)熱機(jī)效率是多少？熱力學(xué)第一定律一切熱力學(xué)過(guò)程都應(yīng)滿足能量守恒。滿足能量守恒的過(guò)程是否一定都能進(jìn)行?熱力學(xué)第二定律就是反映過(guò)程方向性的基本規(guī)律自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程都具有方向性——時(shí)間箭頭熱力學(xué)定律與自然過(guò)程化學(xué)過(guò)程熱傳導(dǎo)過(guò)程功變熱過(guò)程擴(kuò)散過(guò)程不可逆過(guò)程熱剎車(chē)摩擦生熱.烘烤車(chē)輪，車(chē)不開(kāi).1.熱傳導(dǎo)過(guò)程熱量不能自動(dòng)從低溫高溫功熱轉(zhuǎn)換過(guò)程具方向性熱傳導(dǎo)過(guò)程具有方向性2.功熱轉(zhuǎn)換過(guò)程自然現(xiàn)象的不可逆Q開(kāi)爾文說(shuō)5.4熱力學(xué)第二定律5.4.1熱力學(xué)第二定律的描述克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳給高溫物體而不產(chǎn)生其他影響.開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其他影響.克勞修斯說(shuō)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成.可以證明熱力學(xué)第二定律兩種表述的一致性熱力學(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(guò)程都是不可逆過(guò)程.2.熱力學(xué)第二定律指出了熱傳導(dǎo)方向性:高溫自動(dòng)低溫低溫非自動(dòng)高溫（外界做功）關(guān)鍵詞:“自動(dòng)”即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行,不產(chǎn)生其他影響.例:電冰箱注意理解1.熱力學(xué)第二定律并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體.5.4.2熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義熱力學(xué)第二定律指出,一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀實(shí)際過(guò)程都是不可逆的,只能向著單一的方向進(jìn)行.自古以來(lái),人類就追求從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度去認(rèn)識(shí)和解釋自然現(xiàn)象,認(rèn)為這是深刻認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象本質(zhì)的重要途徑.從微觀角度看,此系統(tǒng)組織得較差.微觀無(wú)序程度增加了.微觀的無(wú)序程度必定增加與熱能從高溫流向低溫的事實(shí)等價(jià).此想法即熱二定律的另一表述.

理想氣體自由膨脹不可逆性的微觀解釋真空213213微觀態(tài)出現(xiàn)概率相同包含微觀態(tài)多的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大分子縮回左室的宏觀態(tài)概率小分子均勻分布的宏觀態(tài)概率大微觀態(tài)數(shù)宏觀態(tài)數(shù)4321123312123312231氣體自由膨脹1mol氣體都在左室的概率:N

個(gè)分子都在左室的概率:結(jié)論:

系統(tǒng)的自然過(guò)程是從概率小的宏觀態(tài)向概率大的宏觀態(tài)演化,也就是由“包含微觀態(tài)數(shù)目少的宏觀態(tài)”向“包含微觀態(tài)數(shù)目多的宏觀態(tài)”演化.實(shí)際觀察到的是均勻分布的概率最大的宏觀態(tài)熱力學(xué)第二定律既然是涉及大量分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性變化的規(guī)律,因而它就是一條統(tǒng)計(jì)規(guī)律.

熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義統(tǒng)計(jì)規(guī)律的含義包含兩點(diǎn):它只適用于包含大量分子的集體,而不適用于只有少數(shù)分子的系統(tǒng).熱力學(xué)第二定律并不像熱力學(xué)第一定律那樣嚴(yán)格不能違反,違背熱力學(xué)第二定律的事情還是有可能發(fā)生,只是概率非常小,小到趨于零,以至于忽略不計(jì).“熱二”定律的實(shí)質(zhì):

一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆過(guò)程.5.5熵熵增加原理無(wú)序性增加樓塌是一個(gè)從有序到無(wú)序的過(guò)程引入一個(gè)概念：熵——描述系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，S。是系統(tǒng)無(wú)序性的量度。結(jié)論：熱力學(xué)第二定律指出自發(fā)過(guò)程總是朝熵增加的方向進(jìn)行，即朝無(wú)序的方向進(jìn)行.——熵增加原理5.6熵與生命

5.6.1生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)第二定律:自發(fā)過(guò)程總是朝熵增加的方向進(jìn)行達(dá)爾文的進(jìn)化論:進(jìn)化的方向由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由低級(jí)到高級(jí)——朝有序的方向發(fā)展——熵減矛盾說(shuō)明什么生物:非孤立系,與外界有物質(zhì)、能量交換熵增原理?xiàng)l件:孤立系統(tǒng),自發(fā)過(guò)程系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熵,總為正值.與外界交換的熵流,其值可正可負(fù).生命系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，其熵變可以分為兩部分，即熵產(chǎn)生與熵交換。熵產(chǎn)生值總為正；熵交換可為正值、負(fù)值或零.兩者之和決定了系統(tǒng)的總熵變.1944年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主薛定諤在其所發(fā)表的專著《生命是什么？》中指出：“一個(gè)生命有機(jī)體在不斷地增加它的熵——你或者說(shuō)在增加正熵——并趨于接近最大熵值的危險(xiǎn)狀態(tài)，那就是死亡.要擺脫死亡，就是說(shuō)要活著，唯一的辦法是從環(huán)境中不斷吸取負(fù)熵，有機(jī)體是依賴負(fù)熵為生的.”這就是生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)。

生物體從外界吸收營(yíng)養(yǎng)，排出廢物，就是吸收高度有序的低熵大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、淀粉等）而排出無(wú)序高熵的小分子物質(zhì)（如二氧化碳、尿、汗等），從而使生物體處于協(xié)調(diào)有序的狀態(tài)，達(dá)到維持生命的目的.隨著時(shí)間的推延，生物體慢慢失去從外界獲取負(fù)熵、的能力而成為孤立系統(tǒng)。按照熵增加原理，它最終將達(dá)到熵值最大的平衡態(tài)，即混亂度最大、最無(wú)序的狀態(tài).按照達(dá)爾文的進(jìn)化論，這就是生命的終結(jié).5.6.2熵與人口極限折合成每人每秒的需要為:

50億人口計(jì),即小孩折合成成年人6折,那么全球人類食物需求的總負(fù)熵流為:相比光合熵流似乎小2個(gè)數(shù)量級(jí),但如考慮到生態(tài)等效率,且森林中的光合作用大部分并不為人類直接生產(chǎn)食品,等等因素.因此聽(tīng)任人口無(wú)限制地膨脹下去,我們的“地球村”將承受不了日益沉重的人口負(fù)擔(dān).設(shè)每個(gè)成年人每天需攝入1公斤葡萄糖以維持生命,它含的負(fù)熵為:人類共同生存在一個(gè)地球上，自然資源和生存空間都是有限的.因此，人口是不能無(wú)限制增長(zhǎng)的.我們經(jīng)常說(shuō)萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)