《第4章 热力学第二定律优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章 热力学第二定律优秀PPT.ppt（38页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第4章 热力学第二定律现在学习的是第1页，共38页 4.1 4.1 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律(The second law of the thermodynamics)一、热力学第二定律的宏观表述一、热力学第二定律的宏观表述单一热源单一热源(T)热机热机1.开尔文表述开尔文表述(Kelvin statement)不可能从不可能从单一热源单一热源吸收热量使之完全吸收热量使之完全变为有用的功变为有用的功而不产生其它影响。而不产生其它影响。例例:等温膨胀从单一热源吸收等温膨胀从单一热源吸收热量全部变为有用功热量全部变为有用功,但它产生了其它影响。但它产生了其它影响。K
2、elvin表述表述:第二类永动机是制造不出来的。第二类永动机是制造不出来的。第二类永动机第二类永动机:从单一热源吸收热量全部转化为机从单一热源吸收热量全部转化为机械功而不产生其它影响的一种循环动作的机器。械功而不产生其它影响的一种循环动作的机器。(2)现在学习的是第2页，共38页(3)热量不可热量不可自动地自动地从低温物体传给高温物体。从低温物体传给高温物体。2.克劳修斯表述克劳修斯表述(Clausius statement)例例:致冷机将热量从低温热源传向高温热源致冷机将热量从低温热源传向高温热源,但必须做功但必须做功,并不是自动进行的。并不是自动进行的。现在学习的是第3页，共38页反证法反
3、证法:开氏说法成立则克氏说法也成立。开氏说法成立则克氏说法也成立。开氏说法不成立则克氏说法不成立。开氏说法不成立则克氏说法不成立。二、二种说法是等效的二、二种说法是等效的(4)设设:开氏说法不成立开氏说法不成立,即允许一循环即允许一循环E可以只从高温热源可以只从高温热源T1取得热量取得热量Q1,并把它全部转变为功并把它全部转变为功A。再利用一个再利用一个卡诺逆循环卡诺逆循环D接收接收E所做的功所做的功A,使它从低温热源使它从低温热源T2吸吸收热量收热量Q2,向高温热源放出热量向高温热源放出热量Q1+Q2。克氏说法也不成立。克氏说法也不成立。EDAQ1Q2Q1+Q2将将E和和D两个循环看成一部复
4、合致冷机两个循环看成一部复合致冷机,总的效果是外总的效果是外界对它没做功而它却把热量界对它没做功而它却把热量Q2 从低温热源传给了高温热源。从低温热源传给了高温热源。高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2思考思考:P-V图中两条绝热线能否相交图中两条绝热线能否相交?PV绝热绝热1绝热绝热2等温等温现在学习的是第4页，共38页4.2 4.2 热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义(The microscopic sense of the second law the second law of the thermodynamics)一、气体绝热自由膨胀过程的单向性的微观意义一、气体绝
5、热自由膨胀过程的单向性的微观意义1个分子在个分子在左左或或右右出现几率均为出现几率均为1/2,4个分子个分子:有有24 个微观状态个微观状态,(5)左左右右有有2个微观状态和个微观状态和2个宏观状态个宏观状态,每个宏观状态只有每个宏观状态只有1个微观状态个微观状态;有有5个宏观状态个宏观状态,每个宏观状态有每个宏观状态有 微观状态微观状态;左左右右目的目的:从微观上从微观上,探讨大量分子热运动状态的变化规律。探讨大量分子热运动状态的变化规律。热力学第二定律说明热运动的无序程度的变化规律。热力学第二定律说明热运动的无序程度的变化规律。现在学习的是第5页，共38页(6)左左4右右0宏观态的微观态数
6、为宏观态的微观态数为1(几率为几率为1/24)左左3右右1宏观态的微观态数为宏观态的微观态数为4(几率为几率为4/24)左左2右右2宏观宏观状态的微观状态的微观状态数为状态数为6(几率为几率为6/24)左左1右右3宏观态的微观态数为宏观态的微观态数为4(几率为几率为4/24)左左0右右4宏观态的微观态数为宏观态的微观态数为1(几率为几率为1/24)现在学习的是第6页，共38页1104512021025221012045101一种宏观状态对一种宏观状态对应的微观状态数应的微观状态数宏观状态宏观状态左左右右012345678910234567891001微观状态总数微观状态总数210=1024均匀
7、分布或接近均匀均匀分布或接近均匀分布的几率却占了分布的几率却占了672/1024。而。而10个分个分子同时回到一边的几子同时回到一边的几率只有率只有1/1024，如果是如果是10个分子呢个分子呢?左左右右左左右右(7)现在学习的是第7页，共38页若若1mol气体作绝热自由膨胀气体作绝热自由膨胀,所有分子都回到一边所有分子都回到一边去的几率只有去的几率只有实际的气体分子数很大。如实际的气体分子数很大。如1mol的气体就有的气体就有NA=6.022 1023个分子。个分子。个微观状态均拍成照片个微观状态均拍成照片,然后像放电影一样然后像放电影一样放出来放出来,每秒放一亿张每秒放一亿张(108),还
8、要播放还要播放:秒秒,这个时间比宇宙的年龄这个时间比宇宙的年龄1018秒秒还要大得多。可见所有分子都回到一边去是不可还要大得多。可见所有分子都回到一边去是不可能的。即绝热自由膨胀是不可逆的。能的。即绝热自由膨胀是不可逆的。左左右右结论结论:气体绝热自由膨胀是从几率小的宏气体绝热自由膨胀是从几率小的宏 观状态向几率大的宏观状态进行观状态向几率大的宏观状态进行(8)现在学习的是第8页，共38页二、功变热过程的单向性的微观意义二、功变热过程的单向性的微观意义或或:一个不受外界影响的孤立系统一个不受外界影响的孤立系统,其内部进行的过程总其内部进行的过程总是是由几率小的宏观状态向几率大的宏观状态进行。由
9、几率小的宏观状态向几率大的宏观状态进行。(9)思考思考:热传递过程的单向性的微观意义热传递过程的单向性的微观意义?一切自然过程总是一切自然过程总是向无序性增大的方向进行的。向无序性增大的方向进行的。功功 注意注意:1)对应于微观状态数最多的宏观状态就是系统在对应于微观状态数最多的宏观状态就是系统在 一定宏观条件下的平衡态一定宏观条件下的平衡态(如气体自由膨涨如气体自由膨涨)。2)热力学第二定律是一个统计规律。热力学第二定律是一个统计规律。三、热力学第二定律的微观意义三、热力学第二定律的微观意义规则运动规则运动(机械能机械能)热热几率小的宏观状态几率小的宏观状态分子无规则热运动分子无规则热运动(
10、内能内能)几率大的宏观状态几率大的宏观状态现在学习的是第9页，共38页如如:前面的气体绝热自由膨胀例子前面的气体绝热自由膨胀例子,有有N个分子个分子,微观状态的总数微观状态的总数 2N 某宏观状态所包含的微观状某宏观状态所包含的微观状态数态数N!/(N左左!N右右!)任一宏观状态的热力学几率任一宏观状态的热力学几率:“自然界的一切过程都是向着热力学自然界的一切过程都是向着热力学几率大几率大(微观状态数多微观状态数多)的方向进行的的方向进行的”波尔兹曼波尔兹曼四、热力学几率四、热力学几率(Thermodynamic probability)定义定义:任一宏观状态所包含的微观状态数称为该宏任一宏观
11、状态所包含的微观状态数称为该宏 观状态的热力学几率。观状态的热力学几率。热力学几率热力学几率也是分子热运动无序性的量度也是分子热运动无序性的量度(10)现在学习的是第10页，共38页 4.3 4.3 可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程 不可逆过程不可逆过程不可逆过程不可逆过程(Reversible(Reversible and irreversible process)and irreversible process)一、可逆过程一、可逆过程(Reversible process)系统从某状态系统从某状态(a)出发经历一过程达到另一状态出发经历一过程达到另一状态(b),如如果存在一过程能使系统和
12、外界完全恢复果存在一过程能使系统和外界完全恢复,则原来过程称则原来过程称为为可逆过程可逆过程。(11)如如:无摩擦的完全弹性碰撞运动和无摩擦的完全弹性碰撞运动和不不 计阻力的单摆运动都是可逆过程。计阻力的单摆运动都是可逆过程。无耗散的单纯的机械运动是可逆过程无耗散的单纯的机械运动是可逆过程abab现在学习的是第11页，共38页又如又如:理想气体无摩擦的准静态理想气体无摩擦的准静态(作功或传热无限缓慢作功或传热无限缓慢)等温膨胀过程是可逆过程。等温膨胀过程是可逆过程。因有无摩擦的准静态等温压缩因有无摩擦的准静态等温压缩过程能使系统和外界恢复原状。过程能使系统和外界恢复原状。无耗散的准静态过程是可
13、逆过程无耗散的准静态过程是可逆过程二、不可逆过程二、不可逆过程(Irreversible process)系统从某状态系统从某状态(a)出发经历一过程到达另一状态出发经历一过程到达另一状态(b),如果用任何一个过程都无法使系统与外界完全恢复则原如果用任何一个过程都无法使系统与外界完全恢复则原来过程称为来过程称为不可逆过程。不可逆过程。(12)现在学习的是第12页，共38页绝热自由膨胀绝热自由膨胀:1中理想气体向中理想气体向2(真空真空)膨胀膨胀,最后气体均匀最后气体均匀分布分布Q=0,A=0,E=0(13)3.理想气体绝热自由膨胀理想气体绝热自由膨胀为不可逆过程。为不可逆过程。如如1.功变热的
14、过程功变热的过程是不可逆过程是不可逆过程(开尔文表述开尔文表述)2.热量从高温物体传给低温物体的过程热量从高温物体传给低温物体的过程是不可逆是不可逆 过程过程(克劳修斯表述克劳修斯表述)A12虽然系统可通过等温压缩返回原态虽然系统可通过等温压缩返回原态,但但A和和Q无法消除无法消除(因无法将因无法将Q自动地转化为自动地转化为A)。恒恒温温热热源源TQ现在学习的是第13页，共38页(14)4.4 熵熵 熵增加原理熵增加原理(Entropy and the principle of entropy increase)一、玻尔兹曼熵公式一、玻尔兹曼熵公式(Boltzmann entropy form
15、ula)玻尔兹曼熵公式玻尔兹曼熵公式k玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数,熵的单位熵的单位:J/K某系统宏观状态的熵某系统宏观状态的熵:为了判断热力学过程进行的方向引入状态函数为了判断热力学过程进行的方向引入状态函数熵熵;根据始末两态熵的差异作为过程进行方向的数学判据。根据始末两态熵的差异作为过程进行方向的数学判据。熵也是分子热运动无序性的量度熵也是分子热运动无序性的量度思考思考:定性分析系统在等温膨胀过程、等体降温过程定性分析系统在等温膨胀过程、等体降温过程 和绝热膨胀过程中的熵变。和绝热膨胀过程中的熵变。现在学习的是第14页，共38页二、熵增加原理二、熵增加原理(The principle of e
16、ntropy increase)当系统由状态当系统由状态1变化到状态变化到状态2时时,系统的熵增量系统的熵增量:对于孤立系统总是从微观状态数小的宏观状态变化到对于孤立系统总是从微观状态数小的宏观状态变化到微观状态数大的宏观状态微观状态数大的宏观状态(S2S1),即即熵增加原理熵增加原理:孤立系统的熵永不减少孤立系统的熵永不减少;若过程是可逆的若过程是可逆的 则熵不变则熵不变,若过程是不可逆的则熵增加。若过程是不可逆的则熵增加。1)非孤立系统的熵可以减少非孤立系统的熵可以减少如如:一杯水一杯水,它不断被外界吸收热量它不断被外界吸收热量,变成冰变成冰,它的它的熵就减少了。熵就减少了。(15)说明说
17、明:现在学习的是第15页，共38页(16)2)熵具有可加性熵具有可加性如如一系统由一系统由n个子系统组成个子系统组成,1,2,n分别分别表示在一定条件下表示在一定条件下n个子系统的热力学几率个子系统的热力学几率;则系统的热力学几率则系统的热力学几率:则系统的熵则系统的熵:3)熵增加原理的微观实质熵增加原理的微观实质:孤立系统孤立系统:内部自发进行的过程是不可逆过程内部自发进行的过程是不可逆过程;从几率小的状态向几率大的状态过渡从几率小的状态向几率大的状态过渡;从熵小的状态向熵大的状态过渡。从熵小的状态向熵大的状态过渡。现在学习的是第16页，共38页三、克劳修斯熵公式三、克劳修斯熵公式(Clau
18、sius entropy formula)系统宏观状态经任一无限小可逆过程时的熵变系统宏观状态经任一无限小可逆过程时的熵变:系统经一有限的可逆过程时系统经一有限的可逆过程时(状态状态1到状态到状态2)的熵变的熵变:(17)说明说明:现在学习的是第17页，共38页4)玻尔兹曼熵和克劳修斯熵的关系玻尔兹曼熵和克劳修斯熵的关系:玻尔兹曼熵是系统任一状态玻尔兹曼熵是系统任一状态(平衡态或非平衡态平衡态或非平衡态)的熵的熵,克劳修斯熵是系统任一平衡态的熵克劳修斯熵是系统任一平衡态的熵,后者熵后者熵是前者熵的最大值是前者熵的最大值,前者熵更具普遍意义。前者熵更具普遍意义。(18)现在学习的是第18页，共3
19、8页四、克劳修斯熵的计算四、克劳修斯熵的计算(重点重点)(19)在用公式在用公式 计算熵变时计算熵变时,PVo.21.不可逆过程不可逆过程可逆过程可逆过程3)公式中积分路线必须是连接始末两态的任一可逆公式中积分路线必须是连接始末两态的任一可逆 过程过程,如果系统由始态实际上如果系统由始态实际上 是经过不可逆过程达到末态的是经过不可逆过程达到末态的,那么那么必须设计一个连接同样始必须设计一个连接同样始 末两态的可逆过程来计算末两态的可逆过程来计算(因熵因熵 是系统状态的函数是系统状态的函数)。现在学习的是第19页，共38页例例1:一房间有一房间有N个气体分子个气体分子,半个房间的分子数为半个房间
20、的分子数为n的热力学几率为的热力学几率为求求:(1)系统处于平衡态时的熵系统处于平衡态时的熵?(2)n=0状态与状态与n=N/2状态之间的熵变状态之间的熵变?解解:(1)由玻尔兹曼熵由玻尔兹曼熵平衡态时的熵为最大平衡态时的熵为最大(2)(20)现在学习的是第20页，共38页例例2:如图如图,1mol氢气氢气(视为理想气体视为理想气体),=1.4;由状态由状态1(V1=210-2m3,T1=300K)沿三条不同路径到达状态沿三条不同路径到达状态2(V2=410-2m3,),其中其中12等温线等温线,13,42等压线等压线,32等容线等容线,14绝热线绝热线;设均为可逆过程。设均为可逆过程。求求:
21、熵变熵变?1)132;2)12;3)142。解解:1)132为等压为等压-等容过程等容过程由等压过程方程得由等压过程方程得T3=600K(21)PV(10-2m3)o.2424.31.现在学习的是第21页，共38页(22)2)12为等温过程为等温过程3)142为绝热为绝热-等压过程等压过程,在可逆绝热过程中在可逆绝热过程中S14=0PV(10-2m3)o.2424.31.现在学习的是第22页，共38页(23)由绝热方程由绝热方程 P-1T-=恒量恒量 得得又因又因42为等压过程为等压过程 P4=P212为等温过程为等温过程 P1V1=P2V2熵是状态的单值函数熵是状态的单值函数;熵变与过程进行
22、的路径无关熵变与过程进行的路径无关PV(10-2m3)o.2424.31.现在学习的是第23页，共38页(24)例例3:1mol理想气体由初态理想气体由初态(T1,V1)经某一不可逆过程经某一不可逆过程到达末态到达末态(T2,V2);求求熵变熵变(设气体的设气体的 CV,mol为恒量为恒量)。PVo解一解一:设计一个可逆过程设计一个可逆过程,如图如图23 1 1 3为等容为等容3 2为等温为等温现在学习的是第24页，共38页(25)解二解二:不考虑具体过程不考虑具体过程,先找出气体系统的熵变与状先找出气体系统的熵变与状 态参量态参量(T,V)的关系的关系等式两边积分等式两边积分,得系统的熵变为
23、得系统的熵变为现在学习的是第25页，共38页例例4:一杯一杯0.2kg的热水的热水(100)放在空气放在空气(20)中中,达到达到热平衡后热平衡后,杯中水的熵变杯中水的熵变?水的比热为水的比热为c=4200J/(kgK)。解解:水和空气看成一孤立系统水和空气看成一孤立系统,水的冷却过程是一水的冷却过程是一个不可逆过程个不可逆过程设水经历一可逆过程设水经历一可逆过程,使其温度由使其温度由T1降为降为T2 水的熵变为水的熵变为与熵增加原理矛盾否与熵增加原理矛盾否?(不矛盾不矛盾,因水不是孤立系统因水不是孤立系统)空气的熵变为空气的熵变为孤立系统的熵变为孤立系统的熵变为(26)现在学习的是第26页，
24、共38页 PV o(27)现在学习的是第27页，共38页(28)PV o现在学习的是第28页，共38页(29)PV o现在学习的是第29页，共38页五五*、关于熵的进一步讨论、关于熵的进一步讨论1.熵的增加意味着能量品质的降退熵的增加意味着能量品质的降退如图当如图当A物体下降物体下降 h时，水温时，水温由由TT+T，这个过程中重力，这个过程中重力势能势能Mg h全部变成水的内能。全部变成水的内能。要利用这一能量只能利用热机。要利用这一能量只能利用热机。M若周围温度为若周围温度为T0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。再也能
25、作的功少了，一部分能量放入到低温热库。再也不能被利用了。这部分不能被利用的能量称为退化不能被利用了。这部分不能被利用的能量称为退化的能量。的能量。AAAT+Tm(30)现在学习的是第30页，共38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:(31)现在学习的是第31页，共38页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;3)每利用一份能量每利用一份能量,就会得到一定的惩罚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本来可以利用的能量变为退化的能量;可以证明可以证明:退化的能量实际上就是环境污染的代名词退化的能量实际上就是环
26、境污染的代名词;节约能节约能 源就是保护环境源就是保护环境,而保护环境就是保护人类的生存而保护环境就是保护人类的生存 条件条件,非同小可。非同小可。2)自然界的实际过程都是不可逆过程自然界的实际过程都是不可逆过程,即熵增加的过即熵增加的过 程程,大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加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。导致了世界混乱度的增加。(32)注意注意:现在学习的是第32页，共38页人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、
27、进化。以致出现人类这样高低级向高级发展、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。耗散结构理论，解释了这个问题。2.耗散结构杂谈耗散结构杂谈原来生命是一开放系统。其熵变原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。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。(33)现在学习的是第33页，共38页从熵流中获取负熵从熵流中获取负熵,从而使系统在较高层次保持有序从而使系统在较高层次保持有序生命之所以免于死亡生命之所以免于死亡
28、,其主要原因其主要原因就在于他能不断地获得负熵就在于他能不断地获得负熵薛定谔薛定谔当系统远离平衡态时当系统远离平衡态时,系统不断消耗能源与物质系统不断消耗能源与物质,(34)现在学习的是第34页，共38页感冒感冒:起因起因运动或劳累过后运动或劳累过后,身体消耗大量能量身体消耗大量能量,产产生大量废热生大量废热(体内熵大增体内熵大增)如能迅速排除如能迅速排除,人相安无事。人相安无事。但如此时或吹风、或着凉但如此时或吹风、或着凉,皮肤感到过凉皮肤感到过凉,此信息传此信息传到大脑的调温中心到大脑的调温中心丘脑丘脑,进行调温以暖皮肤进行调温以暖皮肤,并下并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热令皮肤毛细血管
29、收缩阻止身体散热,这样体内原有积这样体内原有积熵排不出熵排不出,还进一步产生积熵还进一步产生积熵,以致积熵过剩。熵是无以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱,人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力,抵抗力减弱抵抗力减弱 人因此感冒了。人因此感冒了。(35)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,有炎症有炎症物理说物理说:如何治疗呢如何治疗呢?积熵过剩积熵过剩现在学习的是第35页，共38页中医说中医说: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消除
30、积熵消除积熵癌症癌症:由于各种原因由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度致使体内某一部分的混乱度大幅度增长。以致破坏了细胞再生时的基因密码大幅度增长。以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传的有序遗传,细胞无控制地生长细胞无控制地生长,产生毒素产生毒素,进一步进一步破坏人体的有序破坏人体的有序,直到熵趋近无穷大直到熵趋近无穷大死亡到来。死亡到来。(36)现在学习的是第36页，共38页热力学理论热力学理论基本要求基本要求1.理解内能、功和热量的概念理解内能、功和热量的概念,理解准静态过程。理解准静态过程。2.熟练掌握热力学第一定律和它在理想气体各种过程中熟练掌握热力学第一定律和它在理想气体各种过
31、程中 的应用。的应用。3.明确循环及热机效率的意义明确循环及热机效率的意义,熟练掌握简单循环效率熟练掌握简单循环效率 的计算。的计算。4.理解热力学第二定律的意义理解热力学第二定律的意义;理解可逆和不可逆过程理解可逆和不可逆过程;理解熵的概念和熵增加原理理解熵的概念和熵增加原理;掌握克劳修斯熵的计算。掌握克劳修斯熵的计算。(37)从宏观的观点出发从宏观的观点出发,研究与热运动有关的热力学过程研究与热运动有关的热力学过程中的能量转化关系和热力学过程的方向性。中的能量转化关系和热力学过程的方向性。现在学习的是第37页，共38页热力学基本物理量热力学基本物理量状态量状态量过程量过程量内能内能E,对理想气体对理想气体 功功A在等容、等在等容、等压、等温和压、等温和绝热的准静绝热的准静态过程中的态过程中的应用应用热力学系统变化规律热力学系统变化规律系统熵变系统熵变:熵增加原理熵增加原理:S2S10循环过程循环过程:特点特点:E=0=A/Q1=1-Q2/Q1卡诺循环卡诺循环:=1-T2/T1知识网络知识网络 热量热量Q热力学第二定律热力学第二定律热力学第一定律热力学第一定律系统热容系统热容:两两种种表表述述可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程现在学习的是第38页，共38页