大学物理：热力学基础3-3

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1、第十一章 热力学基础1问题的引入：问题的引入：违背违背热力学第一定律热力学第一定律的过程是不可能实现的，但遵的过程是不可能实现的，但遵循热力学第一定律的过程就一定能实现吗？循热力学第一定律的过程就一定能实现吗？例如：热功转换的性质，例如：热功转换的性质，“水往低处流水往低处流”热力学第一定律热力学第一定律指出了变化中的指出了变化中的能量效应能量效应，却没有，却没有给出过程的方向性。而一切事物的变化都有方向性，可给出过程的方向性。而一切事物的变化都有方向性，可以用一定的物理量进行判断。以用一定的物理量进行判断。热力学第二定律热力学第二定律指出了事物变化过程中的方向与限度。指出了事物变化过程中的方

2、向与限度。2第十一章 热力学基础一一.热力学第二定律热力学第二定律1.热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化。起其它变化。(1)热力学第二定律开尔文表述的另热力学第二定律开尔文表述的另一叙述形式一叙述形式:第二类永动机不可能制第二类永动机不可能制成（从单一热源吸热而不断做功）成（从单一热源吸热而不断做功）说明说明11121QQQA(2)热力学第二定律的开尔文表述实际热力学第二定律的开尔文表述实际上表明了上表明了3第十一章 热力学基础AQw2(1)热二律克劳修斯表述的另一叙

3、述形式热二律克劳修斯表述的另一叙述形式:理想理想制冷机不可能制成制冷机不可能制成(2)热二律的克劳修斯表述热二律的克劳修斯表述实际上表明了实际上表明了3.热机、制冷机的能流图示方法热机、制冷机的能流图示方法热热机机的的能能流流图图致致冷冷机机的的能能流流图图2Q1Q1T高温热源高温热源2T低温热源低温热源A2Q2T低温热源低温热源A1Q1T高温热源高温热源2.热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述热量不能自动地从低温物体传向高温物体热量不能自动地从低温物体传向高温物体 4第十一章 热力学基础4.热力学第二定律的两种表述等价热力学第二定律的两种表述等价(1)假设开尔文假设开尔文

4、 表述不成立表述不成立 克劳修斯克劳修斯表述不成立表述不成立A1QAQ 2Q1T高温热源高温热源2T低温热源低温热源Q2Q12QQA(2)假设克劳修斯假设克劳修斯 表述不成立表述不成立 开尔文开尔文表述不成立表述不成立2Q2Q2T低温热源低温热源2Q1QA21QQA21QQ 高温热源高温热源1T5第十一章 热力学基础用热力学第二定律证明：在用热力学第二定律证明：在p V 图上任意两条绝热线不可图上任意两条绝热线不可能相交能相交反证法反证法例例证证abc绝热线绝热线等温线等温线AQab设两绝热线相交于设两绝热线相交于c 点，在点，在两绝热线上寻找温度相同两绝热线上寻找温度相同的两点的两点a、b。

5、在。在ab间作一条间作一条等温线，等温线，abca构成一循环过构成一循环过程。在此循环过程该中程。在此循环过程该中VpO这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背热力这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背热力学第二定律的开尔文表述的。因此任意两条绝热线不可学第二定律的开尔文表述的。因此任意两条绝热线不可能相交。能相交。6第十一章 热力学基础 若系统经历了一个过程，而过程的每一步都若系统经历了一个过程，而过程的每一步都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个过程就称为可逆过程。过程就称为可逆过程。一一.概念概念 如对于某

6、一过程，用任何方法都不能使系如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程。统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程。可逆过程可逆过程不可逆过程不可逆过程自发过程自发过程自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。7第十一章 热力学基础（真空）（真空）可逆可逆（有气体）（有气体）不可逆不可逆功向热转化的过程不可逆。功向热转化的过程不可逆。墨水在水中的扩散墨水在水中的扩散 热量从高温自动传向热量从高温自动传向低温物体的过程不可逆。低温物体的

7、过程不可逆。自由膨胀过程不可逆。自由膨胀过程不可逆。一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际过程都是不可逆过程。际过程都是不可逆过程。1.不可逆过程的实例不可逆过程的实例l 力学（无摩擦时）力学（无摩擦时）xm过程可逆过程可逆（有摩擦时）（有摩擦时）不可逆不可逆二二.不可逆过程不可逆过程8第十一章 热力学基础无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）三三.热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质不平衡和耗散等不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可逆的原因。因素的存在，是导致过程不可逆的原因。2.过程不

8、可逆的因素过程不可逆的因素 热力学第二定律是研究在能量守恒的前提下，过程进热力学第二定律是研究在能量守恒的前提下，过程进行的方向的问题。行的方向的问题。热力学第二定律指出，自然界的一切自发过程都是热力学第二定律指出，自然界的一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。单方向进行的不可逆过程。热二律的宏观意义热二律的宏观意义9第十一章 热力学基础一一.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 1.气体分子位置的分布规律气体分子位置的分布规律气体的自由膨胀气体的自由膨胀3个分子的分配方式个分子的分配方式 a b c左半边左半边右半边右半边abc0abbcaccababcbcacab0abc(微

9、观态数微观态数23,宏观态数宏观态数4,每一种微观态概率每一种微观态概率(1/23)宏观态宏观态:宏观上能够加以区分的每一种分布方式宏观上能够加以区分的每一种分布方式对于孤立系统，各个微观态出现的概率是相同的对于孤立系统，各个微观态出现的概率是相同的微观态微观态:在微观上能够加以区别的每一种分配方式在微观上能够加以区别的每一种分配方式 10第十一章 热力学基础4个分子时的分配方式个分子时的分配方式左半边左半边右半边右半边abcd0abcbcdcdadabdabc0abcdabcbcdcdadabdabccdadabbcacdbabbccddabdac(微观态数微观态数24,宏观态数宏观态数5,

10、每一种微观态概率每一种微观态概率(1/24)可以推知有可以推知有 N 个分子时，分子的总微观态数个分子时，分子的总微观态数2N，总宏观，总宏观态数态数(N+1)，每一种微观态概率，每一种微观态概率(1/2N)11第十一章 热力学基础20个分子的位置分布个分子的位置分布包含微观状态数最多的宏观状态是出现的概率最大的状态包含微观状态数最多的宏观状态是出现的概率最大的状态12第十一章 热力学基础(1)系统某宏观态出现的概率与系统某宏观态出现的概率与 该宏观态对应的微观态数成该宏观态对应的微观态数成 正比。正比。(2)N 个分子全部聚于一侧的概率个分子全部聚于一侧的概率为为1/(2N)(3)平衡态是概

11、率最大的宏观态，平衡态是概率最大的宏观态，其对应的微观态数目最大。其对应的微观态数目最大。N/2结论结论孤立系统中发生的一切实际过程都是从微观态数少的孤立系统中发生的一切实际过程都是从微观态数少的宏观态向微观态数多的宏观态进行宏观态向微观态数多的宏观态进行.(n)2.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义左侧分子数左侧分子数n13第十一章 热力学基础二二.熵熵 引入熵的目的引入熵的目的状态(1)状态(2)孤立系统孤立系统能否自动进行能否自动进行？判据是什么判据是什么？微观态数少的宏观态微观态数少的宏观态微观态数多的宏观态微观态数多的宏观态为了定量的表示系统状态的这种性质，从而定量说明

12、自发为了定量的表示系统状态的这种性质，从而定量说明自发过程进行的方向，而引入熵的概念。过程进行的方向，而引入熵的概念。lnkS玻耳兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式k 为玻耳兹曼常数；为玻耳兹曼常数；为该宏观态包含的微观态数目；为该宏观态包含的微观态数目；熵是系统状态的函数，反映状态出现的概率。熵是系统状态的函数，反映状态出现的概率。一个系统的熵是该系统的可能微观态的量度，是一个系统的熵是该系统的可能微观态的量度，是系统内分子热运动的无序性的一种量度。系统内分子热运动的无序性的一种量度。14第十一章 热力学基础122 1(自动进行自动进行)孤立系统孤立系统11ln kS22ln kS三三.熵增加原理熵增加原理0ln1212kSS孤立系统的熵永不会减少。孤立系统的熵永不会减少。熵增原理熵增原理从状态从状态(1)变化到状态变化到状态(2)的过程中，熵的增量为的过程中，熵的增量为熵增原理的条件：熵增原理的条件：孤立系统孤立系统。说明说明第第11章结束章结束