大学物理 热学4.ppt

第四章 热力学第二定律 4.1 自然过程的方向 4.2 热力学第二定律 4.3 热力学第二定律的统计意义 4.4 热力学几率 4.5 玻耳兹曼熵公式 4.6 可逆过程和卡诺定律 4.7 克劳修斯熵公式 4.8 熵增加原理 4.9 温熵图 4.10 熵和能量退化 4.1 自然过程的方向 只满足能量守恒的过程一定能实现吗？ 功热转换 4.2 热力学第二定律（The second law of thermodynamics） 4.3 热力学第二定律的统计意义 自然过程总是按有序变无序的方向进行。 4.4 热力学几率（Probability） 4.5 玻耳兹曼熵（Entropy）公式 4.6 可逆过程和卡诺定律 (Reversible process and Carnots theorem) 4.7 克劳修斯熵公式 4.8 熵增加原理 4.9 温熵图 4.10 熵和能量退化 * 热学 电子教案 PowerPoint 版 作者：安宇 (分子运动论部分参照了 陈信义编的Word版内容） 清华大学物理系基础教研室 m 通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的（irreversible）； 或，热不能自动转化为功；或，唯一效 果是热全部变成功的过程是不可能的。 功热转换过程具有方向性。 热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的； 或， 热量不能自动地由低温物体传向高温物体。 气体的绝热自由膨胀 （Free expansion） 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 不可逆的 不可逆的 自动地 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。 热传导 （Heat conduction） 与热现象有关的宏 观过程的不可逆性 宏观过程的方向性 自然 宏观过程按一定方向进行的规律就是 热力学第二定律 怎样精确表述？ 各种自然的能实现的 宏观过程的 不可逆性是相互沟通的 例： 功变热 热传导 假设， 热可以自动转变成功，这将导致热可以自动 从低温物体传向高温物体。 T W T0 T Q T T0 T Q 反之 Q2 Q2 Q2 Q1 T1热库 T2热库 W T1热库 W Q1- Q2 T2热库 气体向真空中绝热自 由膨胀的不可逆性 功变热的不可逆性 假设， 热可以自动从低温物体传向高温物体， 这将导致热可以自动转变成功。 假设， 热可以自动转变成功，这将导致气体可以自动压缩。 W T0 Q T0 Q TT0 TT0 T W 所有宏观过程的 不可逆性都是等价的。 热力学第二定律的克劳修斯 表述： 热量不能 自动地 由低温物体传向高温物体。 热力学第二定律的开尔文--普朗克表述： 其 唯一效果 是热全部变成功的过程是不可能的。 单热源热机是不可能制成的。 （热机的工质是做循环） T T T W 反之 自动被压缩 例：功热转换 例： 气体的绝热自由膨胀 涉及到大量粒子运动的有序和无序，故，热力学第二定律是一条统计规律。 布朗运动 有时4个 粒子全部在A内 A B 涨落大时不遵循该规律，如： 平衡态的宏观（Macroscopic）参量不随时间变化，然而，从 微观（Microscopic）上来看，它总是从一个微观状态变化到 另一个微观状态，只是这些微观状态都对应同一个宏观状态 而已。这样看来，系统状态的 宏观描述是粗略的。 什么是 宏观状态 所对应 微观状态？ 例：理想气体处于 平衡态 例： 理想气体处于 非平衡态 T1 T2 T2 T1 左4，右0，状态数1； 左3，右1，状态数4 左2，右2 状态数6 左0，右4，状态数1； 左1，右3，状态数4 左4，右0，状态数1； 左3，右1，状态数4 左0，右4，状态数1； 左1，右3，状态数4 左2，右2， 状态数6 假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的。 4粒子情况，总状态数16， 左4右0 和 左0右4，几率各为1/16； 左3右1和 左1右3 ，几率各为1/4； 左2右2， 几率为3/8。 对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 几率最大。 两侧粒子数相同时，Ω最大，称为平衡态；但不能保证 两侧 粒子数总是相同，有些偏离，这叫涨落（Fluctuation）。 N 粒子系统标准偏差或涨落为 N ，相对变化只有 1/ N 。 通常粒子数目达1023，再加上可用速度区分微观状态，或可将 盒子再细分（不只是两等份），这样实际宏观状态它所对应的 微观状态数目非常大。无论怎样， 微观状态数目最大的 宏观 状态是 平衡态，其它态都是非 平衡态，这就是为什么孤立系 统总是从非 平衡态向 平衡态过渡。 N=1023 ， 微观状态数目用Ω表示， 则 Ω N/2 N n（左侧粒子数） n 非平衡态到平衡态，有序向无序，都是