物理化学电子教学课件第三部分市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、 物理化学电子教案第三章不可能把热从低温物体传到高温物体,而不引发其它改变第1页第三章 热力学第二定律3.1 自发改变共同特征3.2 热力学第二定律3.3 Carnot定理3.4 熵概念3.5 Clausius不等式与熵增加原理3.6 热力学基本方程与T-S图3.7 熵变计算3.8 熵和能量退降3.9 热力学第二定律本质和熵统计意义第2页第三章 热力学第二定律3.10 Helmholtz和Gibbs自由能3.11 改变方向与平衡条件3.13 几个热力学函数间关系3.12 计算示例3.14 热力学第三定律及要求熵*3.15 绝对零度不能抵达原理*3.16 不可逆过程热力学介绍*3.17 信息熵浅
2、释第3页 3.1自发改变共同特征不可逆性自发改变 某种改变有自动发生趋势,一旦发生就无需借助外力,可自动进行,这种改变称为自发改变自发改变共同特征不可逆性 任何自发改变逆过程是不能自动进行。比如:(1)焦耳热功当量中功自动转变成热;(2)气体向真空膨胀;(3)热量从高温物体传入低温物体;(4)浓度不等溶液混合均匀;(5)锌片与硫酸铜置换反应等,它们逆过程都不能自动进行。当借助外力,系统恢复原状后,会给环境留下不可磨灭影响。第4页3.2 热力学第二定律Clausius 说法:Kelvin 说法:第二类永动机:从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。“不可能把热从低温物体传到高温物体,而不引
3、发其它改变”“不可能从单一热源取出热使之完全变为功,而不发生其它改变”以后被Ostward表述为:“第二类永动机是不可能造成”。第5页 3.3Carnot定理高温热源低温热源(a)假设第6页 2.3Carnot定理高温热源低温热源(b)从低温热源吸热高温热源得到热这违反了Clausius说法,只有第7页Carnot定理:Carnot定理推论:Carnot定理意义:(2)标准上处理了热机效率极限值问题。(1)引入了一个不等号 ,标准上处理了化学反应方向问题;2.3Carnot定理 全部工作于同温热源和同温冷源之间热机,其效率都不能超出可逆机,即可逆机效率最大。全部工作于同温热源与同温冷源之间可逆
4、热机,其热机效率都相等,即与热机工作物质无关。第8页3.4 熵概念从Carnot循环得到结论:对于任意可逆循环,都能够分解为若干个小Carnot循环。即Carnot循环中,热效应与温度商值加和等于零。先以P,Q两点为例第9页任意可逆循环热温商任意可逆循环PVO=OWQMXO=OYN第10页证实以下:同理,对MN过程作相同处理,使MXOYN折线所经过程作功与MN过程相同。(2)经过P,Q点分别作RS和TU两条可逆绝热膨胀线,(1)在任意可逆循环曲线上取很靠近PQ过程(3)在P,Q之间经过O点作等温可逆膨胀线VW这么使PQ过程与PVOWQ过程所作功相同。任意可逆循环使两个三角形PVO和OWQ面积相
5、等,VWYX就组成了一个Carnot循环。第11页 用相同方法把任意可逆循环分成许多首尾连接小卡诺循环 从而使众多小Carnot循环总效应与任意可逆循环封闭曲线相当 前一循环等温可逆膨胀线就是下一循环绝热可逆压缩线(如图所表示虚线部分),这么两个绝热过程功恰好抵消。所以任意可逆循环热温商加和等于零,或它环程积分等于零。第12页任意可逆循环分为小Carnot循环第13页任意可逆循环分为小Carnot循环 第14页任意可逆循环用一闭合曲线代表任意可逆循环。将上式分成两项加和 在曲线上任意取A,B两点,把循环分成AB和BA两个可逆过程。依据任意可逆循环热温商公式:第15页熵引出 说明任意可逆过程热温
6、商值决定于一直状态,而与可逆路径无关,这个热温商含有状态函数性质。移项得:任意可逆过程第16页熵定义 Clausius依据可逆过程热温商值决定于一直态而与可逆过程无关这一事实定义了“熵”(entropy)这个函数,用符号“S”表示,单位为:对微小改变 这几个熵变计算式习惯上称为熵定义式,即熵改变值可用可逆过程热温商值来衡量。或设始、终态A,B熵分别为 和 ,则:第17页2.5 Clausius 不等式与熵增加原理Clausius 不等式 热力学第二定律数学表示式熵增加原理第18页Clausius 不等式 设温度相同两个高、低温热源间有一个可逆热机和一个不可逆热机。依据Carnot定理:则推广为
7、与n个热源接触任意不可逆过程,得:则:第19页Clausius 不等式或 设有一个循环,为不可逆过程,为可逆过程,整个循环为不可逆循环。则有第20页Clausius 不等式如AB为可逆过程将两式合并得 Clausius 不等式:是实际过程热效应,T是环境温度。若是不可逆过程,用“”号,可逆过程用“=”号,这时环境与系统温度相同。第21页Clausius 不等式 这些都称为 Clausius 不等式,也可作为热力学第二定律数学表示式。或对于微小改变:第22页熵增加原理对于绝热系统 等号表示绝热可逆过程,不等号表示绝热不可逆过程。假如是一个隔离系统,环境与系统间既无热交换,又无功交换,则熵增加原理
8、可表述为:所以Clausius 不等式为熵增加原理可表述为:在绝热条件下,趋向于平衡过程使系统熵增加。或者说在绝热条件下,不可能发生熵降低过程一个隔离系统熵永不降低。第23页对于隔离系统 等号表示可逆过程,系统已到达平衡;不等号表示不可逆过程,也是自发过程。因为系统常与环境有着相互联络,若把与系统亲密相关环境部分包含在一起,作为一个隔离系统,则有:能够用来判断自发改变方向和程度Clausius 不等式意义“”号为自发过程,“=”号为可逆过程第24页(1)熵是系统状态函数,是容量性质。(3)在绝热过程中,若过程是可逆,则系统熵不变。若过程是不可逆,则系统熵增加。绝热不可逆过程向熵增加方向进行,当
9、到达平衡时,熵到达最大值。(2)能够用Clausius不等式来判别过程可逆性熵特点(4)在任何一个隔离系统中,若进行了不可逆过程,系统熵就要增大,一切能自动进行过程都引发熵增大。第25页3.6 热力学基本方程与T-S图热力学基本方程 第一定律与第二定律联合公式依据热力学第一定律若不考虑非膨胀功依据热力学第二定律所以有 这是热力学第一与第二定律联合公式,也称为热力学基本方程。第26页3.6 热力学基本方程与T-S图熵是热力学能和体积函数,即热力学基本方程可表示为所以有或或第27页T-S图 及其应用依据热力学第二定律 系统从状态A到状态B,在T-S图上曲线AB下面积就等于系统在该过程中热效应。什么
10、是T-S图?以T为纵坐标、S为横坐标所作表示热力学过程图称为T-S图,或称为温-熵图。第28页 热机所作功W为闭合曲线ABCDA所围面积。图中ABCDA表示任一可逆循环。CDA是放热过程,所放之热等于CDA曲线下面积T-S图 及其应用 ABC是吸热过程,所吸之热等于ABC曲线下面积第29页 任意循环热机效率不可能大于EGHL所代表Carnot热机效率 图中ABCD表示任一循环过程。EG线是高温(T1)等温线T-S图 及其应用 ABCD面积表示循环所吸热和所做功(c)LH是低温(T2)等温线 ABCD代表任意循环 EGHL代表Carnot 循环GN和EM是绝热可逆过程等熵线第30页T-S图 及其
11、应用(c)第31页T-S 图优点:(1)既显示系统所作功,又显示系统所吸收或释放热量。p-V 图只能显示所作功。(2)既可用于等温过程,也可用于变温过程来计算系统可逆过程热效应;而依据热容计算热效应不适合用于等温过程。第32页 3.7 熵变计算&等温过程中熵改变值&非等温过程中熵改变值第33页等温过程中熵改变值(1)理想气体等温可逆改变 对于不可逆过程,应设计一直态相同可逆过程来计算熵改变值。第34页等温过程中熵改变值(2)等温、等压可逆相变(若是不可逆相变,应设计一直态相同可逆过程)(3)理想气体(或理想溶液)等温混合过程,并符合分体积定律,即第35页等温过程中熵改变 例1:1 mol理想气
12、体在等温下经过:(1)可逆膨胀,(2)真空膨胀,体积增加到10倍,分别求其熵变,并判断过程可逆性。解:(1)可逆膨胀(1)为可逆过程。第36页等温过程中熵改变 例1:1 mol理想气体在等温下经过:(1)可逆膨胀,(2)真空膨胀,体积增加到10倍,分别求其熵变,并判断过程可逆性。解:(2)真空膨胀(2)为不可逆过程。熵是状态函数,一直态相同熵变也相同,所以:(系统未吸热,也未做功)第37页例2:求下述过程熵变解:假如是不可逆相变,能够设计可逆相变求 值。已知H2O(l)在汽化时吸热显然第38页例3:在273 K时,将一个 盒子用隔板一分为二,解法1求抽去隔板后,两种气体混合过程熵变?第39页例
13、3:在273 K时,将一个 盒子用隔板一分为二,解法2求抽去隔板后,两种气体混合过程熵变?第40页非等温过程中熵改变值(1)物质量一定可逆等容、变温过程(2)物质量一定可逆等压、变温过程第41页非等温过程中熵改变(3)物质量一定从 到 过程。这种情况一步无法计算,要分两步计算。有各种分步方法:1.先等温后等容2.先等温后等压*3.先等压后等容第42页变温过程熵变1.先等温后等容2.先等温后等压*3.先等压后等容第43页3.8 熵和能量退降 热力学第一定律表明:一个实际过程发生后,能量总值保持不变。热力学第二定律表明:在一个不可逆过程中,系统熵值增加。能量总值不变,但因为系统熵值增加,说明系统中
14、一部分能量丧失了作功能力,这就是能量“退降”。能量“退降”程度,与熵增加成正比第44页有三个热源热源热源热源热源热源热源热机 做最大功为热机 做最大功为第45页其原因是经过了一个不可逆热传导过程功变为热是无条件而热不能无条件地全变为功 热和功即使数量相同,但“质量”不等,功是“高质量”能量 高温热源热与低温热源热即使数量相同,但“质量”也不等,高温热源热“质量”较高,做功效力强。从高“质量”能贬值为低“质量”能是自发过程。第46页3.9 热力学第二定律本质和熵统计意义 热力学第二定律本质 热是分子混乱运动一个表现,而功是分子有序运动结果。功转变成热是从规则运动转化为不规则运动,混乱度增加,是自
15、发过程;而要将无序运动热转化为有序运动功就不可能自动发生。热与功转换不可逆性第47页气体混合过程不可逆性 将N2和O2放在一盒内隔板两边,抽去隔板,N2和O2自动混合,直至平衡。这是混乱度增加过程,也是熵增加过程,是自发过程,其逆过程决不会自动发生。热力学第二定律本质第48页热传导过程不可逆性处于高温时系统,分布在高能级上分子数较集中;而处于低温时系统,分子较多地集中在低能级上。当热从高温物体传入低温物体时,两物体各能级上分布分子数都将改变,总分子分布花样数增加,是一个自发过程,而逆过程不可能自动发生。热力学第二定律本质第49页 从以上几个不可逆过程例子能够看出:热力学第二定律本质一切不可逆过
16、程都是向混乱度增加方向进行,而熵函数能够作为系统混乱度一个量度,这就是热力学第二定律所说明不可逆过程本质。第50页熵和热力学概率关系Boltzmann公式热力学概率就是实现某种宏观状态微观状态数,通惯用 表示。数学概率是热力学概率与总微观状态数之比。数学概率=热力学概率微观状态数总和第51页比如:有4个不一样颜色小球a,b,c,d分装在两个盒子中,总分装方式应该有16种。分配方式 分配微观状态数因为这是一个组合问题,有以下几个分配方式,其热力学概率是不等。第52页 其中,均匀分布热力学概率 最大,为6。假如粒子数很多,则以均匀分布热力学概率将是一个很大数字。每一个微态数出现概率是相同,都是1/
17、16,但以(2,2)均匀分布出现数学概率最大,为6/16,数学概率数值总是从。第53页Boltzmann公式这与熵改变方向相同。另外,热力学概率 和熵 S 都是热力学能U,体积 V 和粒子数 N 函数,二者之间必定有某种联络,用函数形式可表示为:宏观状态实际上是大量微观状态平均,自发改变方向总是向热力学概率增大方向进行。第54页Boltzmann公式Boltzmann认为这个函数应该有以下对数形式:这就是Boltzmann公式,式中 k 是Boltzmann常数。Boltzmann公式把热力学宏观量 S 和微观量概率 联络在一起,使热力学与统计热力学发生了关系,奠定了统计热力学基础。因熵是容量
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