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16热力学第二定律
* 热力学第二定律 本章内容 Contents chapter 16 热力学第二定律 second law of thermodynamics 熵 entropy 引言 违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。 自然过程是按一定方向进行的。 高温物体 低温物体 Q 高温物体 低温物体 Q 会自动发生 不会自动发生 16-1 续上 违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。 自然过程是按一定方向进行的。 高温物体 低温物体 Q 高温物体 低温物体 Q 会自动发生 不会自动发生 气体自由膨胀 会自动发生 气体自动收缩 不会自动发生 16-1 续上 违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。 自然过程是按一定方向进行的。 气体自由膨胀 会自动发生 气体自动收缩 不会自动发生 功转变成热量 会自动发生 热量自行转变成功 不会自动发生 16-1 续上 违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。 自然过程是按一定方向进行的。 功转变成热量 会自动发生 热量自行转变成功 不会自动发生 热量不可能自动地由低温物体传向高温物体。 气体的体积不可能自动地等温缩小。 热量不可能在不引起其它变化的条件下而全部转变为功。 … … 各种实际过程进行方向的规律性将用热力学第二定律来表述。 16-1 可逆与不可逆过程 可逆过程只是一种理想模型。准静态过程可视为可逆过程。 一个热力学系统由某一初态出发,经过某一过程到达末态后,如果还存在另一过程,它能使系统和外界完全复原(即系统回到初态,又同时消除了原过程对外界引起的一切影响),则 原过程称为可逆过程。 一个热力学系统由某一初态出发,经过某一过程到达末态后,如果不存在另一过程,它能使系统和外界完全复原,则原过程称为不可逆过程。 由于摩擦等耗散因素的实际存在,不可能使系统和外界完全复原。因此有关热现象的实际宏观过程和非准静态过程都是不可逆过程。 定律的两种表述 不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化(即热量不会自动地从低温物体传到高温物体)。 不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。 外界需对系统作功,就属“其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。 等温膨胀时系统体积增大亦属“其它变化”。此表述说明功变热过程的不可逆性。 % 企图制造单一热源且 的热机称为第二类永动机。 开尔文另一表述为:第二类永动机是不可能造成的。 它并不违背热力学第一定律,但违背热力学第二定律。 表述的等价性 举一个反证例子: 假如热量可以自动地从低温热源传向高温热源,就有可能从单一热源吸取热量使之全部变为有用功而不引起其它变化。 高温热源 低温热源 假想的 自动传热装置 卡诺热机 等价于 高温热源 低温热源 (但实际上是不可能的) 凡例 热力学第二定律不但在两种表述上是等价的,而且它在表明一切与热现象有关的实际宏观过程的不可逆性方面也是等价的。历史上的两种表述只是一种代表性的表述。 用热力学第二定律证明绝热线与等温线不能相交于两点 等温线 绝热线 若 图上绝热线与等温线相交于两点, 则可作一个由等温膨胀和绝热压缩准静态过程组成的循环过程。 系统只从单一热源(等温过程中接触的恒定热源)吸热 。 完成一个循环系统对外作的净功为 ,并一切恢复原状。 这违背热力学第二定律的开尔文表述,故绝热线与等温线不能相交于两点。 定律的统计意义 热力学第二定律说明热现象的实际宏观过程都是不可逆的。 这种不可逆性是分子的微观统计行为的一种表现。 取消隔板,气体自由膨胀 每一个分子有两种可能的等概率微观分布状态(在A或B) 以气体的自由膨胀为例 隔板 孤立容器用隔板等分成 两格 真空 四个理想气体分子 中: 微观上可区分,宏观上不可区分。 中: 四个可区分的分子出现在A、B两半的可能分布方式,即系统的微观分布状态总数目是各分子微观态数目的乘积 具体分析如下: 即 续上 A B A B 6 1 4 4 1 1/16 4/16 4/16 1/16 6/16 共 16 种微观态 5 种宏观态 续上 气体自由膨胀的不可逆性,从统计观
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