热力学第二定律.ppt.ppt
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1、第四章第四章 热力学第二定律热力学第二定律 只满足能量守恒的过程一定能实现吗?只满足能量守恒的过程一定能实现吗?m通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的,或热不能通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的,或热不能自动转化为功;唯一效果是热全部变成功的过程是自动转化为功;唯一效果是热全部变成功的过程是不可能的。不可能的。功热转换过程具有方向性。功热转换过程具有方向性。功热转换功热转换 4-1.自发过程的方向性自发过程的方向性热传导热传导热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的;热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的;或,或,热量不能自动地由低温物体传向高温物体。热量不能自动地由低温物体传向高温物体。
2、气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。非平衡态到平衡态的过程是非平衡态到平衡态的过程是 不可逆的不可逆的一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。一切与热现象有关的实际宏观过程都是按一定的方向进一切与热现象有关的实际宏观过程都是按一定的方向进行的。说明自然宏观过程进行的方向的规律称为热力学第二行的。说明自然宏观过程进行的方向的规律称为热力学第二定律,它有两种表述:定律,它有两种表述:1.开尔文表述开尔文表述 不可能从单一热源吸收热量,使它不可能从单一热源吸收热量,使它
3、完全转变为功而完全转变为功而不引起其它变化不引起其它变化。热源热源QAA.从单一热源吸收热量,使它完全转变为功,一定要引起从单一热源吸收热量,使它完全转变为功,一定要引起B.其它变化。其它变化。C.特例:等温过程从单一热源吸收热量,并完全用来做功,特例:等温过程从单一热源吸收热量,并完全用来做功,D.必导致系统体积变化。必导致系统体积变化。4-2 热力学第二定律热力学第二定律B.第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。热量不能热量不能自动自动地从低温物体传向高温物体。地从低温物体传向高温物体。2.克劳修斯表述克劳修斯表述讨论:讨论:A.没有外界做功,不可能从低温热源将没有外界做功,不可
4、能从低温热源将热量传输到高温热源热量传输到高温热源。B.第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成。高温热源高温热源低温热源低温热源Q2Q1A热力学第二定律是研究热机效率和制冷系数时提热力学第二定律是研究热机效率和制冷系数时提出的。对热机,不可能吸收的热量全部用来对外出的。对热机,不可能吸收的热量全部用来对外作功;对制冷机,若无外界作功,热量不可能从作功;对制冷机,若无外界作功,热量不可能从低温物体传到高温物体。热力学第二定律的两种低温物体传到高温物体。热力学第二定律的两种表述形式,解决了物理过程进行的方向问题。表述形式,解决了物理过程进行的方向问题。热力学第二定律的两种表述形式是等效的,若
5、其热力学第二定律的两种表述形式是等效的,若其中一种说法成立,则另一种说法也成立;反之亦中一种说法成立,则另一种说法也成立;反之亦然。然。热力学第二定律不是推出来的,而是从大量客观热力学第二定律不是推出来的,而是从大量客观实践中总结出来的规律,因此,不能直接验证其实践中总结出来的规律,因此,不能直接验证其正确性。正确性。3.两种表述是等价的两种表述是等价的假设克劳修斯表述不成立,假设克劳修斯表述不成立,则开尔文表述也不成立。则开尔文表述也不成立。假设开尔文表述不成立,则假设开尔文表述不成立,则克劳修斯表述也不成立。克劳修斯表述也不成立。热力学第二定律的微观实质热力学第二定律的微观实质 从微观上看
6、,任何热力学过程都伴随着大量分子的无序运从微观上看,任何热力学过程都伴随着大量分子的无序运动的变化。热力学第二定律就是说明大量分子运动的无序程度动的变化。热力学第二定律就是说明大量分子运动的无序程度变化的规律。变化的规律。热力学第二定律的微观实质:热力学第二定律的微观实质:在孤立系统内所发生的一切实际在孤立系统内所发生的一切实际宏观过程,总是沿着分子运动无序性增大的方向进行。宏观过程,总是沿着分子运动无序性增大的方向进行。功转换为热:大量分子的有序运动向无序运动转化,功转换为热:大量分子的有序运动向无序运动转化,是可是可能的;而相反的过程,是不可能的。能的;而相反的过程,是不可能的。热传导:大
7、量分子运动的无序性由于热传导而增大了。热传导:大量分子运动的无序性由于热传导而增大了。自由膨胀:大量分子向体积大的空间扩散,无序性增大。自由膨胀:大量分子向体积大的空间扩散,无序性增大。从统计观点探讨过程的不可逆性和熵的微观意义,从统计观点探讨过程的不可逆性和熵的微观意义,由此深入认识第二定律的本质。由此深入认识第二定律的本质。l 不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质 (以气体自由膨胀为例)(以气体自由膨胀为例)一个被隔板分为一个被隔板分为A A、B B相等两部分的容器,装有相等两部分的容器,装有4 4个涂个涂以不同颜色分子。开始时,以不同颜色分子。开始时,4 4个分子都在个分子都在A A
8、部,抽出隔部,抽出隔板后分子将向板后分子将向B B部扩散并在整个容器内无规则运动。部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后,隔板被抽出后,4 4分子在容器中可能的分布情形分子在容器中可能的分布情形如下图所示:如下图所示:4-4 4-4 热力学概率与自然过程方向热力学概率与自然过程方向1.1.统计意义统计意义分布分布(宏观态)(宏观态)详细分布详细分布(微观态)(微观态)14641共有共有2 24 4=16=16种可能的方式,而且种可能的方式,而且4 4个分子全部退回到个分子全部退回到A A部部的可能性即几率为的可能性即几率为1/21/24 4=1/16=1/16。可认。可认4 4个分子的自
9、由膨胀个分子的自由膨胀是是“可逆的可逆的”。一般来说,若有一般来说,若有N N个分子,则共个分子,则共2 2N N种可能方式,而种可能方式,而N N个分个分子全部退回到子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N.对于真实理想气体系统对于真实理想气体系统N N 10102323/mol/mol,这些分子这些分子全部退回到全部退回到A A部的几率为部的几率为 。此数值极小,意味着此事件永远不回发生。从任何实。此数值极小,意味着此事件永远不回发生。从任何实际操作的意义上说,不可能发生此类事件,因为在宇宙际操作的意义上说,不可能发生此类事件,因为在宇宙存在的年限(存在的年限(10101818
10、秒)内谁也不会看到发生秒)内谁也不会看到发生此类事件。此类事件。对单个分子或少量分子来说,它们扩散到对单个分子或少量分子来说,它们扩散到B B部的过程部的过程原则上是可逆的。但对大量分子组成的宏观系统来说,原则上是可逆的。但对大量分子组成的宏观系统来说,它们向它们向B B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多,这种宏观态出现的可能性就大。数多,这种宏观态出现的可能性就大。在上
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