• / 43

大学物理课件-热力学第二定律.ppt

配套讲稿:

如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。

特殊限制:

部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。

关 键  词:
大学物理课件-热力学第二定律.ppt
资源描述:

《大学物理课件-热力学第二定律.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大学物理课件-热力学第二定律.ppt(43页珍藏版)》请在微传网上搜索。

1、热力学第二定律,Broken egg,Water always flows downhill,Gases always expand from high pressure to low pressure,生命过程是一个不可逆过程,出生童年少年青年中年老年八宝山,热力学第二定律:关于自然过程进行方向的规律。,热力学第一定律:一切热力学过程都满足能量守恒。,问题:满足能量守恒的 过程都能进行吗?,不一定!,4.5 热力学第二定律,18世纪德国奥尔菲留斯的“永动机”,可逆过程和不可逆过程,系统状态 A 状态 B,同时对环境产生影响.,若系统 B A 时对环境影响未恢复,则 A B 的 过程叫不可。

2、逆过程。,若系统 B A 时对环境的影响恢复,则 A B 的过程叫可逆过程;,无摩擦的准静态过程为可逆过程。,不可逆过程在自然界中普遍存在。,一、自然过程的方向性:,自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行的,反向过程不可能自动地进行。,通过摩擦使功变热的过程是不可逆的: 重物下落一定高度,重物的机械能将全部转换为水的内能,水温上升(自动); 我们看不到,水温自动下降,水的内能减少,产生同样的功将重物拉回原来高度。,1. 功热转换,结论:唯一效果是热全部变成功的过程是不 可能的,也就是热不能自动转化为功。,热变功的过程能够发生,例如热机,但是同时向 低温热源 (环境) 放热 改变了环境。,。

3、2. 热传导:,热量自动地由高温物体传向低温物体,不能自动 反向传导。,热量由低温物体传向高温物体能够发生,例如制 冷机,但是需环境对其做功 改变了环境。,热量由高温物体向低温物体传递不可逆。,3. 气体的绝热自由膨胀:,,绝热自由膨胀是气体自动地由非平 衡态变为平衡态;相反的过程,即充满 容器的气体自动收缩到一侧,不能发生。,气体向真空绝热自由膨胀不可逆。,体积缩小的过程能够发生,例如可 以用活塞把气体推回到左侧,但是需要 外界做功 改变了环境。,(1) 微观过程是可逆的,例如,少数几个分子很可能自 动地处于容器的一侧。,(2) 宏观的可逆过程是一个理想模型。实际宏观过程存 在摩擦、黏滞。

4、力、非弹性碰撞、焦耳热等“耗散” 因 素,所以都是不可逆过程。,(3) 不可逆过程不是不能在相反方向进行,关键是不能 自发地进行。,4. 自然过程进行方向的一般规律:,一切与热现象有关的实际宏观过程都涉及热功转 换、或热传导、或非平衡态向平衡态转化,因此,一切与热现象有关的自发宏观过程都是不可逆的。,???,不可逆过程,二、不可逆性的相互依存、热力学第二定律的表述:,结论: 每个不可逆过程都可以作为热力学第二定律表述的基础。 热力学第二定律有不同的表达形式,但其本质上都是揭示了自发宏观过程进行方向的客观规律。,,开尔文表述 (1851年):不能从单一热源取热,使之全部转为功而不引起其。

5、它变化。,,,It is impossible to construct a device that operates in a cycle and whose sole effect is to transfer the heat from a cooler body to a hotter body.,克劳修斯表述 (1850年):不能把热从低温物体传到高温物体,而不引起其它变化。,It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no other effect than the per。

6、formance of work and the exchange of heat with a single reservoir.,,两种表述等价。证明用反证法:,,,,假设 开尔文 表述错误 证明 克劳修斯 表述错误,假设 克劳修斯 表述错误 证明 开尔文 表述错误,热二律的又一种表述:气体不能自动收缩而不引 起其它变化。可用反证法证明它与开尔文表述等价。,,热源, A,例 证明同一理想气体系 统的任意两条绝热线不能 相交。,练习 证明同一理想气体 系统的绝热线与等温线不 能交于两点。,反证法: 令两条绝热线交于一点 违反开尔文表述,提示:反证法。 要求:文字叙述证明过 程,逻辑准。

7、确。,三、热力学第二定律的微观意义:,热二律是大量分子无序运动程度变化的规律。,1. 功 热:规则 (有序) 运动 不规则 (无序) 运动,2. 热传导:温度不同(有序) 温度相同(无序),3. 绝热自由膨胀:分子无序性低 分子无序性高,与上述过程相反的过程不会自动发生。可见, 自然过程总是沿着分子运动无序性增大的方向进行。 生物进化、经济领域变化过程都符合这个规律。,热力学第二定律是统计规律,少量分子不适用。,四、宏观态与微观态的关系:,1. 宏观态:用局部 p, T, E 等量描述 微观态:各个分子的位置,3N 个状态 各个分子的速度,3N 个状态 各个分子的振动、转。

8、动,少量宏观态,2. 气体自由膨胀中以分子位置表示的微观态和宏观态:,微观态,宏观态,微观态,微观态,有的宏观态只有较少微观态与之对应,有的宏观 态有较多微观态与之对应。,当分子数为 N 时,宏观态数目为 N+1,微观态数 目为,这还只是以分子位置来区别微观状态, 就相当 大了。如果再加上分子速度等的不同作为区别微观状 态的标志,那么 数值就非常非常大了。,当分子数较大的时候,两侧分子数相等或基本相 等的宏观态对应的微观态的数目非常巨大,n 表示宏 观态序号, (n) 为一个宏观态对应的微观态数目。,PN /2 对应的宏观态是平衡态,其它概率对应的宏 观态是非平衡态。气体自由膨胀是由包含微观态。

9、数目 少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态进行,由非 平衡态向平衡态转化。对孤立系统,逆过程不会发生。,3. 实际出现的宏观态:,假设:孤立系统中,各个微观态出现的概率相同。,所以每个宏观态出现的概率为,当 N 1023 时,PN /2 极其大, P0 , P1, PN-1, PN 等极其小。,因此,实际出现的宏观态是两侧分子数相等的宏观态。,举例:两只小狗与虱子。,思考:,猩猩在电脑上随意敲键盘,可能碰巧打出莎士比亚全集吗?,五、热力学概率:,任一宏观态对应的微观态的数目称为该宏观态的 热力学概率。用 表示。,说明,1. 对于孤立系统,平衡态是 为最大值的宏观态。,2. 如果系统最初的宏观态。

10、的 不是最大值,则它将向 增大的宏观态过渡,最后达到 为最大值的宏观 态,即系统由非平衡态向平衡态转化。,3. 越大,系统的微观态越变化多端。因此, 是分 子运动无序性的量度。,六、热力学第二定律的适用范围:,1. 不适用于少量分子,因为,(1) 热二律是大量分子的统计规律; (2) 少量分子虽然满足能量守恒与转化定律, 但是它 没有稳定的 p, V, T, 所以不适用于热一律,当然 不适用于热二律。,2. 不适用于整个宇宙, 否则宇宙将达到热平衡 ( “热寂 说” ),即宇宙死亡。,原因:宇宙是无限的,不能看成“孤立系统”;而热二律是建立在有限空间和时间范围的前提上。,4.6 熵 。

11、熵增原理,一、玻耳兹曼熵:, 极大,1877 年玻耳兹曼定义一个实用量 S 代替 表示系统的无序性, 它与 ln 成正比。 1900 年, 普朗克引进玻耳兹曼常数 k,写成,称为玻耳兹曼熵。单位是 J / K。,对理想气体绝热自由膨胀过程,,末态:2 = ,,对大数 M,有 ln M! = M ln M M,,所以,,初态:1 = =1,S1 = k ln 1 = 0,改变地球面貌的十大公式:,二、卡诺定律,可逆循环:系统经过一系列过程重新回到原来状态,这一系列过程构成一个循环,若组成一个循环的所有过程都是可逆过程,则这个循环为可逆循环。,卡诺定律: 1)在相同的高温热库和相同的低温热库。

12、之间工作的 一 切不可逆热机,其效率不可能大于可逆热机的效率。 2)在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的 一 切可逆热机,其效率都相等,与工作物质无关.,不可逆循环:若组成循环的各个过程中有不可逆过程构成,则该循环为不可逆循环。,三、克劳修斯熵:,卡诺热机的效率 , 即,考虑吸热与放热的正负号,得,对任意的准静态循环,,分成许多小卡诺循环,则,i 时, 折线曲线,说明 与路径无关,定义克劳修斯熵 S,其变化,对于理想气体由体积 V1 至 V2 的绝热自由膨胀过 程,玻耳兹曼熵变可推广为,四、实例:理想气体绝热自由膨胀过程的熵变,由于熵是状态函数,只与始末状 态有关。

13、,因此可以用连接两个状态的可逆过程求熵变。,因为是非准静态过程,无法定义 T,所以不能直 接求克劳修斯熵变;,假想可逆等温膨胀过程,联系:1. 玻耳兹曼熵与系统宏观状态、热力学概率是 一一对应的,因此是系统的状态函数。克劳修斯熵 的变化仅与始末状态有关,与路径无关,因此也是 状态函数。当用来描述平衡态时,可统一为一个熵。,2. 熵是系统分子热运动无序 (混乱) 程度的量度。 在信息论中,熵是无知和缺乏信息的量度。,3. 有可加性:系统的熵等于子系统的熵之和。,五、两种熵的关系:,区别:1. 玻耳兹曼熵是从微观上定义的,克劳修斯熵 是用宏观状态参量定义的。,2. 玻耳兹曼熵可以描述平衡态。

14、和非平衡态,克 劳修斯熵只能描述平衡态,后者是前者的最大值。,六、可逆过程:,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过 程。可逆过程是一个宏观上的理想模型,其充分必要 条件是准静态 + 无摩擦。,有摩擦就有功变热,就有不可逆成分。,非准静态过程,F1 < pS,F2 pS,准静态过程,F1 = pS dF,F2 = pS + dF,|A1| < |A2|,|A1| |A2|,对环境的影响消掉,过程可逆,无限缓慢的做功过程是可逆过程。,准静态传热过程,要求温差无限小,即等温热传导。 等温热传导过程是可逆过程。,如果外界条件改变无穷小量就可以使过程反向进 行 (系统和环境都回到初态),那么该过程。

15、是可逆过程。,热传导,,,非准静态过程,T1 T,准静态过程,T1 = T + dT,环境温度没有恢复,环境温度恢复,全部用状态量描述的热一律,七、熵增原理:,孤立系统的熵永不减少,即,对于可逆过程,熵不变 ;,对孤立系统的可逆过程,可以用克劳修斯熵求熵 变,由于 dQ = 0,所以 。,理想气体绝热自由膨胀是典型的不可逆过程,其 熵变为正。,对于不可逆过程 (自然过程),熵增加 ,平衡态 对应于熵最大的状态。,此即热二律的最终表述。,对开放系统,熵可增可减。,八、如何计算熵变?,1. 熵是状态函数,当系统从初态变化到末态,不管经 历了什么过程,也不管这些过程。

16、是否可逆,熵变总 是定值(只决定于初、末两态)。 2. 计算克劳修斯熵变只能沿可逆过程,当系统的初、 末态经一不可逆路径连接时,不能沿此路径计算克 劳修斯熵变。此时可人为设计一可逆过程,并沿此 路径来计算克劳修斯熵变。 3. 克劳修斯熵公式计算的是系统熵的变化,熵的绝对 大小并无实际意义。,例1 把 1kg,20C 的水放到 100C 的炉子上加热,最 后达到 100C,分别求水和炉子的熵变。c=4.2*103J/(kg*K),解:水被加热是不可逆过程。设计一个可逆过程: 把 水依次与无穷多个温度升高 dT 的热源接触, 每次都吸 热 dQ,以这种方式把水加热至 100C,则水的熵变,炉子的。

17、放热也是不可逆过程。 设计一个可逆等温放热 过程,让炉子保持 100C,则炉子的熵变,例2 1mol 理想气体由初态 (T1, V1) 经某一过程到达末 态 (T2, V2),求熵变。,解:设想过程是可逆过程(无限多的小温差热源,准 静态体积变化),则,此熵变可正可负。,解:(1) 此过程有 0.9kg 的水在 0C 下凝成冰,是等温 热传导 (放热),是可逆过程。,冰水混合物熵变,例3 金属桶内放有 2.5kg 水和 0.7kg 冰,温度为 0C 而处于平衡态,已知冰的熔化热 。 (1) 将金属桶置于比 0C 稍低的房间中使桶内达 到水冰质量相等的平衡态。此过程中冰水混合物的熵 变以及它和房间的整个熵变各是多少? (2) 将桶再放于 100C 的恒温箱中使冰水混合物 状态复原。此过程中冰水混合物的熵变以及它和恒温 箱的整个熵变各是多少?,房间吸热引起的熵变,总熵变为 S1 + S2 = 0,(2) 因为熵是状态函数,所以冰水混合物的熵变是上 面 S1 的负值,恒温箱放热过程是非等温放热过程,是不可逆过程, 设计一恒温过程,让恒温箱与 100C 恒温热源接触,,熵变,总熵变为,熵增,熵不变,热二律重要内容,第四章作业:,4-2,4-7,4-10,4-11,4-13,,4-14,4-15,4-17,4-18,,4-21,,,4-24, 4-26,4-27,。

展开阅读全文
  微传网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:大学物理课件-热力学第二定律.ppt
链接地址:https://www.weizhuannet.com/p-12110783.html
微传网是一个办公文档、学习资料下载的在线文档分享平台!

网站资源均来自网络,如有侵权,请联系客服删除!

 网站客服QQ:80879498  会员QQ群:727456886

copyright@ 2018-2028 微传网版权所有

     经营许可证编号:冀ICP备18006529号 公安局备案号:13028102000127

收起
展开