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1、热学热力学第二定律1第1页，本讲稿共18页 在德州奥斯汀城内的一个咖啡馆的墙上写下了这样一在德州奥斯汀城内的一个咖啡馆的墙上写下了这样一段话：段话：“时间是上帝用来防止所以事务发生在同一时刻的方式。时间是上帝用来防止所以事务发生在同一时刻的方式。”时间同样有方向时间同样有方向一些事件以一定的次序发生而绝不可一些事件以一定的次序发生而绝不可能自动的以相反的次序发生。能自动的以相反的次序发生。一个偶然掉进杯子中的鸡蛋破裂了；一个偶然掉进杯子中的鸡蛋破裂了；破裂的鸡蛋重新形成一个完整的鸡蛋并跳回手上。（相反破裂的鸡蛋重新形成一个完整的鸡蛋并跳回手上。（相反过程）过程）有些过程是绝对不可能自动发生的，
2、为什么呢？有些过程是绝对不可能自动发生的，为什么呢？为什么这一过程不能像录像带倒放过来一样呢？为什么这一过程不能像录像带倒放过来一样呢？是什么把方向给予了时间？是什么把方向给予了时间？2第2页，本讲稿共18页一个封闭系统的能量是守恒的，总是保持一个封闭系统的能量是守恒的，总是保持不变。不变。熵的改变有时被称为熵的改变有时被称为“时间的箭头时间的箭头”对不可逆过程，一个封闭系统的熵总是增加的。对不可逆过程，一个封闭系统的熵总是增加的。时间向后的方向对应于破裂的鸡蛋重新形成为一个时间向后的方向对应于破裂的鸡蛋重新形成为一个完整的鸡蛋并回到手上。这个过程将导致系统熵的减少。完整的鸡蛋并回到手上。这个
3、过程将导致系统熵的减少。所以这个过程是绝不可能发生。所以这个过程是绝不可能发生。3第3页，本讲稿共18页一、自然过程的方向性一、自然过程的方向性热传导热传导气体的绝热自由膨胀过程气体的绝热自由膨胀过程1 1、可逆过程、可逆过程 一个过程进行时，如果外界条件改变一无穷小的量，一个过程进行时，如果外界条件改变一无穷小的量，这个过程可以反方向进行的过程。这个过程可以反方向进行的过程。2 2、3 3、不可逆的相互依存、不可逆的相互依存热功转换热功转换热量总是由高温物体传给低温物体。热量总是由高温物体传给低温物体。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。机械能
4、机械能内能内能逆过程：热转化为功不引起其他的变化。逆过程：热转化为功不引起其他的变化。4第4页，本讲稿共18页二、热力学第二定律二、热力学第二定律其唯一效果是热全部转换为功的过程是不可能的。其唯一效果是热全部转换为功的过程是不可能的。1 1、内容、内容开尔文开尔文表述表述说明自然宏观过程进行的方向的规律说明自然宏观过程进行的方向的规律2 2、表述、表述只要任选一种实际过程并指出方向只要任选一种实际过程并指出方向克劳修斯表述克劳修斯表述 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。它的变化。3 3、永动机、永动机第一类永动机：不需要能量输
5、入而继续做功第一类永动机：不需要能量输入而继续做功第二类永动机：有能量输入的单热源机第二类永动机：有能量输入的单热源机5第5页，本讲稿共18页一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。（统计规律）向进行。（统计规律）4 4、微观意义、微观意义热传导热传导气体的绝热自由膨胀过程气体的绝热自由膨胀过程热功转换热功转换大量分子无序运动由于热传导而变大大量分子无序运动由于热传导而变大占较小空间占较小空间占较大空间占较大空间 功功热热机械能机械能内能内能大量分子有序运动大量分子有序运动无序运动无序运动6第6页，本讲稿共18页分布分布（宏观态）（宏观态
6、）详细分布详细分布（微观态）（微观态）14641三、热力学概率与自然过程的方向三、热力学概率与自然过程的方向热力学概率热力学概率7第7页，本讲稿共18页对于一个宏观状态，可有许多微观状态与之相对应；对于一个宏观状态，可有许多微观状态与之相对应；每一种宏观状态对应的微观状态数目不等。每一种宏观状态对应的微观状态数目不等。总的总的N个分子个分子宏观态：宏观态：N+1其微观态：其微观态：2N每个微观状态出现的概率相同，对应微观数目多的宏每个微观状态出现的概率相同，对应微观数目多的宏观态出现的概率大；观态出现的概率大；对应微观状态数目最多的宏观态是系统再一定宏观条件下对应微观状态数目最多的宏观态是系统
7、再一定宏观条件下的平衡态；的平衡态；热力学概率：热力学概率：任一宏观状态所对应的微观状态数任一宏观状态所对应的微观状态数平衡态对应平衡态对应为最大值为最大值若若不是最大值，系统非平衡态不是最大值，系统非平衡态是分子运动无序性的一种量度是分子运动无序性的一种量度8第8页，本讲稿共18页S=k ln (k为玻尔兹曼常数）为玻尔兹曼常数）对于系统的某一宏观态，有一个对于系统的某一宏观态，有一个 值与之对应，因而值与之对应，因而也就有一个也就有一个S值与之对应。值与之对应。1 1、熵、熵(S)(S)四、熵和熵增加原理四、熵和熵增加原理一个系统由两个子系统构成，其热力学概率分别为一个系统由两个子系统构成
8、，其热力学概率分别为12状态量与过程无关状态量与过程无关S S与与一样，都是分子运动无序性的一种量度一样，都是分子运动无序性的一种量度2 2、熵的可加性、熵的可加性3 3、熵增加原理：、熵增加原理：热力学第二定律：再孤立系中所进行的自然过程总是沿着热力学第二定律：再孤立系中所进行的自然过程总是沿着分分子热运动无序性（熵）子热运动无序性（熵）增大的方向进行。增大的方向进行。9第9页，本讲稿共18页五、克劳修斯熵公式五、克劳修斯熵公式1、可逆过程、可逆过程:与过程无关，只决定于初末状态与过程无关，只决定于初末状态2、不可逆过程、不可逆过程:做功不会改变做功不会改变热传导：吸热热传导：吸热d0；放热
9、；放热d03、熵的计算、熵的计算:10第10页，本讲稿共18页熵是系统的状态函数，分子运动无序性的量度。熵是系统的状态函数，分子运动无序性的量度。熵越大，状态几率越大，无序度越高。熵越大，状态几率越大，无序度越高。绝热系统、实际过程熵总是增大的。绝热系统、实际过程熵总是增大的。可逆绝热循环过程熵不变。可逆绝热循环过程熵不变。孤立系统中一切实际过程是从状态几率小向状态几率大的转孤立系统中一切实际过程是从状态几率小向状态几率大的转变过程，一切实际过程，都是不可逆的，并向着熵增加的方向变过程，一切实际过程，都是不可逆的，并向着熵增加的方向进行。进行。S=k ln 4、熵的物理意义、熵的物理意义 S=
10、k ln 与与 概念上有区别概念上有区别11第11页，本讲稿共18页熵的增加是能量退化的量度。熵的增加是能量退化的量度。5.5.关于熵进一步讨论关于熵进一步讨论如图当如图当A A物体下降物体下降 h h时，水温由时，水温由T-T+T-T+T T，这个过程中重力势能，这个过程中重力势能MgMg h h全部变成水的内能。要利用全部变成水的内能。要利用这一能量只能利用热机。这一能量只能利用热机。若周围温度为若周围温度为T T0 0则这部分能量则这部分能量能对外作功的最大值为：能对外作功的最大值为：能作的功少了，一部分能量放入到低温热库。再也不能被利能作的功少了，一部分能量放入到低温热库。再也不能被利
11、用了。这部分不能被利用的能量称为退化的能量。用了。这部分不能被利用的能量称为退化的能量。MAAAT+Tm12第12页，本讲稿共18页退化的能量退化的能量以重物及水为孤立系统，其熵变：以重物及水为孤立系统，其熵变：C为比热对外能作的最大的功值对外能作的最大的功值MAAAT+Tm13第13页，本讲稿共18页1 1）退化的能量是与熵成正比的；）退化的能量是与熵成正比的；每利用一份能量，就会得到一定的惩罚每利用一份能量，就会得到一定的惩罚-把一部分把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保的能
12、量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。可。2 2）自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，）自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。乱度的增加。注意：注意：热源温度愈高它所输出的热能转变为功的潜力就愈大，热源温度愈高它所输出的热能转变为功的潜力就愈大，即较高温度的热能有较高的品质。当热量从高温热源不可逆即较高温度的热能有较高的品质。当热量从高温热源不可逆的传到
13、低温热源时，尽管能量在数量上守恒，但能量品质降的传到低温热源时，尽管能量在数量上守恒，但能量品质降低。低。一切不可逆过程实际上都是能量品质降低的过程，热一切不可逆过程实际上都是能量品质降低的过程，热力学第二定律提供了估计能量品质的方法。力学第二定律提供了估计能量品质的方法。14第14页，本讲稿共18页熵是事物无序度的量度熵是事物无序度的量度 因为熵是与微观状态的对数成正比的，微观状态数越因为熵是与微观状态的对数成正比的，微观状态数越大，混乱度就越大。信息量越小。大，混乱度就越大。信息量越小。相反熵减小则有序度增加。以一个相反熵减小则有序度增加。以一个N N个分子的物质系统个分子的物质系统为例：
14、让其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引起混乱的为例：让其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这时分子以振动为主，平动为平均速率减小。继而变为液体时这时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固定，有序度增加，温度再降低时，分子在平衡辅，位置相对固定，有序度增加，温度再降低时，分子在平衡位置附近振动更加序。位置附近振动更加序。事实上平衡态是最无序。最无信息量，最缺活力的事实上平衡态是最无序。最无信息量，最缺活力的状态。状态。耗散结构杂谈耗散结构杂谈 人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现
15、象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。了这个问题。15第15页，本讲稿共18页开放系统开放系统-与外界有物质和能量的交换的系统与外界有物质和能量的交换的系统原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。系统自身产生的熵，总为正值。系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，其值可正可负。与外界交换的熵流，其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断
16、消耗能源与当系统远离平衡态时系统不断消耗能源与物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。正如薛定谔指出来的：高层次保持有序。正如薛定谔指出来的：生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断地获得负熵地获得负熵。16第16页，本讲稿共18页感冒：起因感冒：起因-运动或劳累过后，身体消耗大量能量，运动或劳累过后，身体消耗大量能量，产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相安无事。安无事。但如此时或吹风、或着凉但如此时或吹风、或着凉皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻
17、止身体散热，皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱多化学反应开始混乱-使人头痛、发烧、畏寒畏冷、使人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力。抵抗力减弱全身无力。抵抗力减弱.人因此感冒了人因此感冒了.,皮肤感到过凉，皮肤感到过凉，此信息传到大脑的调温中心此信息传到大脑的调温中心-丘脑，进行调温以暖丘脑，进行调温以暖中医说中医说:内有虚火内有虚火,外感风寒外感风寒.西医说西医说:感冒了感冒了,有炎症有炎症.物理
18、说物理说:如何治疗呢如何治疗呢?中医说中医说:西医说西医说:物理说物理说:发汗清热发汗清热.退热消炎退热消炎积熵过剩积熵过剩.消除积熵消除积熵.17第17页，本讲稿共18页癌症癌症:由于各种原因由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度大幅度增致使体内某一部分的混乱度大幅度增长长.以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传,细胞细胞无控制地生长无控制地生长,产生毒素产生毒素,进一步破坏人体的有序进一步破坏人体的有序,直到熵直到熵趋近无穷大趋近无穷大-死亡到来死亡到来.修养与健康修养与健康:患得患失、气量狭小、爱生气的人易患癌症不患得患失、气量狭小、爱生气的人易
19、患癌症不易长寿。人要易长寿。人要 “淡薄名利淡薄名利”。此方是做人的根本。此方是做人的根本。改革开放的正确性：热二律告诉我们，一个孤立的社会系改革开放的正确性：热二律告诉我们，一个孤立的社会系统，由于自身的不可逆过程（能源、交通、犯罪等），熵统，由于自身的不可逆过程（能源、交通、犯罪等），熵将趋于极大，信息量极小，没有生机、贫穷落后。将趋于极大，信息量极小，没有生机、贫穷落后。耗散结构告诉我们，一个开放的社会，通过输入入能源、耗散结构告诉我们，一个开放的社会，通过输入入能源、信息、新技术信息、新技术-，输出自已的产品、技术等，才能使，输出自已的产品、技术等，才能使社会在更高层次保持有序。人民曰报曾多次撰文讲过此社会在更高层次保持有序。人民曰报曾多次撰文讲过此理。理。18第18页，本讲稿共18页