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1、大学物理学电子教案,热力学第二定律与熵,5-6 热力学第二定律和卡诺定理5-7 热力学第二定律的统计意义 熵,5-6 热力学第二定律和卡诺定理,是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？,一、可逆过程和不可逆过程,1、引入：热传递：正过程热量从高温物体低温物体，成立逆过程热量从低温物体高温物体，不成立热力学的过程是有方向的。,2、定义：在系统状态的变化过程中，系统由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全恢复原来的状态（即系统回到原来状态，同时原过程对外界引起的一切影响）,3、可逆过程的条件过程要无限缓慢地进行，即属于准静态过程；过程无耗散（没有摩擦力、粘滞
2、力或其它耗散力作功）。即只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能是可逆的。,自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。例如：理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。热传导过程是不可逆的。,则这样的过程称为可逆过程；反之，如果用任何曲折复杂的方法都不能使系统和外界完全恢复原来的状态，称为不可逆过程。,实例：生命过程是不可逆的：出生 童年 少年 青年 中年 老年 八宝山 不可逆！,流行歌曲：“今天的你我怎能重复昨天的故事!”,开尔文（W.Thomson，1824-1907），原名汤姆孙，英国物理学家，热力学的奠基人之一。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、电磁学、波动和涡流等方面卓有贡
3、献，1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他，国际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名。,1.热力学第二定律的开尔文表述（1851）：不可能制造出一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量,使之完全变为有用功,而外界不发生任何变化。,二、热力学第二定律,从热功转换角度说明能量转换的方向和限度:,第二类永动机不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律，因而也是不可能造成的。,另一表述：第二类永动机（从单一热源吸热并全部变为功的热机,效率可以达到100%）是不可能实现的。,注意理解：,热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功,热力学第
4、二定律指出了热功转换的方向性,热力学第二定律与能源危机,2.热力学第二定律的克劳修斯表述（1850）：不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引起其他变化。从热传导角度说明能量转换的方向和限度,克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-1888），德国物理学家，对热力学理论有杰出的贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述和 熵的概念，并得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动理论创始人之一，提出统计概念和自由程概念，导出平均自由程公式和气体压强公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的气体物态方程。,注意理解：,3、热力学第二定律两种描述的等价性,开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修
5、斯表述则说明热传导过程的不可逆性，二者在表述实际宏观过程的不可逆性这一点上是等价的。即一种说法是正确的，另一种说法也必然正确；如果一种说法是不成立的，则另一种说法也必然不成立。可用反证法证明。,(1)开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立,(2)克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立,总效果：,4、关于热力学第二定律的说明,(1)热力学第一定律是守恒定律。热力学第二定律则指出，符合第一定律的过程并不一定都可以实现的，这两个定律是互相独立的，它们一起构成了热力学理论的基础。(2)热力学第二定律除了开尔文说法和克劳修斯说法外，还有其他一些说法。事实上，凡是关于自发过程是不可逆的表述都可以作为第
6、二定律的一种表述。每一种表述都反映了同一客观规律的某一方面，但是其实质是一样的。热力学第二定律可以概括为：一切与热现象有关的实际自发过程都是不可逆的。,三、卡诺定理,（1）在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机，都具有相同的效率；（2）工作在相同的高温热源和低温热源之间一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。,5-7 热力学第二定律的统计意义 熵,一、热力学第二定律的统计意义,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,16种微观态，5种宏观态。,每秒放映1亿张，（普通电影 24/秒）,意味着此事件观察不到。,若系统分子数为N，则总微观态数为2N，N个分子自动退回A室的几
7、率为1/2N。1mol气体的分子自由膨胀后，所有分子退回到A室的几率为,热力学概率 宏观态所对应的微观态数，用W 表示。,-热力学第二定律的统计意义,孤立系统内部所发生的过程总是从从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态进行,亦即由包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态进行。,热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。,自然过程是向热力学概率W 增大的方向进行。,引入态函数熵,在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向进行，即熵增加原理。,熵的微观意义是系统内分子热运动无序性的量度,熵具有可加性,玻尔兹曼熵,二、玻耳兹曼熵,对于不可逆过程,对于可逆过程,小结,可逆过程和不可逆过程 热力学第二定律克劳修斯表述开尔文表述 卡诺定理 热力学第二定律的统计意义 熵,作业,习题册,
