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1、大学物理电子教案大学物理电子教案The PowerPoint for College Physics西北工业大学应用物理系西北工业大学应用物理系热热力力学学采采用用能能量量的的方方法法研研究究物物质质热热运运动动的宏观规律的宏观规律.第第29章章 热力学基础热力学基础热与功热与功热力学第一定律与理想气体的变化过程热力学第一定律与理想气体的变化过程循环过程循环过程热力学第二定律热力学第二定律熵与熵增加原理熵与熵增加原理 本本节节给给出出系系统统状状态态变变化化的的一一般般概概念念、功功及及热量的表达式热量的表达式,并对热量的本质予以解释并对热量的本质予以解释.系统状态变化的一般概念系统状态变化的
2、一般概念功与热量功与热量内能内能6.1 热与功热与功1.系统状态变化的一般概念系统状态变化的一般概念(1)热力学系统热力学系统热力学系统热力学系统:热力学中所研究的宏观体系热力学中所研究的宏观体系.在热力学中往往不考虑系统整体的机械运动在热力学中往往不考虑系统整体的机械运动.(2)系统状态的变化系统状态的变化 系系统统状状态态变变化化:理理想想气气体体从从平平衡衡态态I(P1,V1,T1)变变化到平衡态化到平衡态II(P2,V2,T2).等等温温过过程程:温温度度T保保持持不变的过程不变的过程.PVoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图玻意尔定律玻意尔定律 等压过程等压过程:
3、压强压强P保持不变的过程保持不变的过程.VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图盖盖吕萨克定律吕萨克定律等容过程等容过程:体积体积V保持不变的过程保持不变的过程.VPoII(P2,V2,T2)P-V图I(P1,V1,T1)查理定律查理定律(3)准准静静态态过过程程:在在过过程程进进行行中中的的任任意意时时刻刻,系系统都无限地接近平衡状态统都无限地接近平衡状态.平衡过程是实际过程的抽象平衡过程是实际过程的抽象.只只要要热热力力学学过过程程无无限限缓缓慢慢地地进进行行,都都可可视视作作准静态过程准静态过程.热热力力学学过过程程持持续续时时间间远远大大于于弛弛豫豫时时间间(一一平
4、平衡衡态态过过渡渡到到另另一一平平衡衡态态所所需需时时间间),可可视视为为准准静静态过程态过程.热力学研究的对象是以准静态过程为基础的热力学研究的对象是以准静态过程为基础的.2.功与热量功与热量热热力力学学系系统统的的变变化化过过程程总总是是通通过过外外界界对对系系统统做做功功或或向向系系统统传传递递热热量量两两种种途途径径来来实实现现,或或二者兼有之二者兼有之.(1)系统变化过程中所做的功系统变化过程中所做的功气气体体膨膨胀胀推推动动活活塞塞位位移移 dl 所所做做的功的功PSdl从从状状态态I变变化化到到状状态态II,系统所做的功为系统所做的功为 功功A为为P-V曲曲线线下下的的面面积积,
5、它它不不仅仅与与始始末末状状态有关态有关,而且还与而且还与过程过程有关有关.气体膨胀气体膨胀dV 0,dA0,系统对外做正功系统对外做正功;气体压缩气体压缩dV 0,dA0,系统对外做负功系统对外做负功.VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)V1V2dV(2)热量热量传传热热同同样样可可使使系系统统状状态态发发生生变变化化.传传热热与与做做功功是是等等效效的的,它它们们是是系系统统与与外外界界能能量量交交换换的的两两种种基本方式基本方式.做功是通过机械运动传递能量的做功是通过机械运动传递能量的.传热是通过分子热运动传递能量的传热是通过分子热运动传递能量的.热量热量Q:所传递的热量
6、所传递的热量 .C-比比热热容容,单单位位质质量量物物质质温温度度每每升升高高或或降降低低1K时吸收或放出的热量时吸收或放出的热量.3.内能内能内能内能 E:系统在一定状态下所具有的能量系统在一定状态下所具有的能量.内内能能的的改改变变只只取取决决于于始始末末两两个个状状态态,而而与与过过程程无关无关.由此可见由此可见,内能是系统状态的单值函数内能是系统状态的单值函数.实实验验表表明明:系系统统状状态态发发生生变变化化时时,只只要要始始末末状状态态确确定定,不不论论过过程程如如何何,外外界界对对系系统统做做的的功功与与向系统传递热量的总和不变向系统传递热量的总和不变.系系统统状状态态变变化化过
7、过程程中中,功功、热热量量和和内内能能间间满足能量转换和守恒定律满足能量转换和守恒定律热力学第一定律热力学第一定律.热力学第一定律热力学第一定律等值过程等值过程绝热过程绝热过程6.2 热力学第一定律热力学第一定律 与理想气体的变化过程与理想气体的变化过程1.热力学第一定律热力学第一定律系系统统状状态态变变化化过过程程中中,做做功功与与传传热热并并存存,且且这这些些物理量满足物理量满足系统吸收系统吸收的热量的热量系统初系统初态内能态内能系统末系统末态内能态内能系统对外系统对外做的功做的功热热力力学学第第一一定定律律:系系统统吸吸收收的的热热量量,一一部部分分使使系统内能增加系统内能增加,另一部分
8、用于对外作功另一部分用于对外作功.讨论讨论:(1)热热力力学学第第一一定定律律是是包包含含了了热热现现象象在在内内的的能能量转换与守恒定律量转换与守恒定律.(2)热力学第一定律的微分形式热力学第一定律的微分形式(3)第一类永动机是不可能实现的第一类永动机是不可能实现的.第第一一类类永永动动机机:使使系系统统状状态态不不断断变变化化,最最后后回回到到初初始始状状态态(E=0),其其间间无无须须外外界界提提供供热热量量(Q=0),却能不断地对外作功却能不断地对外作功(A 0).(4)热功转换并非直接转换热功转换并非直接转换,是通过系统完成的是通过系统完成的.(5)由由热力学第一定律可表示为热力学第
9、一定律可表示为一一般般地地,系系统统吸吸收收或或放放出出的的热热量量与与过过程程有有关关,热量与功都不是系统状态的函数热量与功都不是系统状态的函数.2.理想气体的等值过程理想气体的等值过程(1)等容过程等容过程等容过程等容过程:体积体积 V 保持不变的过程保持不变的过程.VPoII(P2,V2,T2)P-V图图I(P1,V1,T1)等容线等容线热热源源QVAV=0V=0气体吸收的热量气体吸收的热量:QV气体所做的功气体所做的功:热力学第一定律为热力学第一定律为:等等容容过过程程中中,气气体体吸吸收收的的热热量量全全部部用用于于内内能能的的增加增加.于是有于是有理想气体内能理想气体内能令令称为气
10、体的称为气体的定容摩尔热容量定容摩尔热容量则有则有定定容容摩摩尔尔热热容容量量CV:在在等等容容过过程程中中,温温度度每每升升高高或或降降低低1K,1 mol气气体体所所吸吸收收或或放放出出的的热热量量,单单位位为为J/mol K.它它是是由由气气体体性性质质决决定定的的常常数数(与气体分子的自由度有关与气体分子的自由度有关).讨论讨论:微分形式微分形式 CV只只与与分分子子自自由由度度数数有有关关,是是反反映映气气体体热热力学特性的常数力学特性的常数.内能内能内内能能增增量量与与具具体体过过程程无无关关.因因此此,任任何何过过程程的的内能增量均可由此式计算内能增量均可由此式计算.(2)等压过
11、程等压过程等压过程等压过程:压强压强 P 保持不变的过程保持不变的过程.气体吸取热量气体吸取热量:QP气体做功气体做功:PS热热源源QPP=0AP等压线等压线VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图图V1V2热力学第一定律热力学第一定律等等压压过过程程中中,气气体体吸吸收收热热量量的的一一部部分分用用来来增增加加气体内能气体内能,另一部分用来对外做功另一部分用来对外做功.内能内能气体状态方程气体状态方程因此因此微分形式微分形式令令气体的气体的定压摩尔热容量定压摩尔热容量则有则有定定压压摩摩尔尔热热容容量量CP:等等压压过过程程中中温温度度每每升升高高或或降降低低1 K,1
12、mol气气体体吸吸收收或或放放出出的的热热量量,同同样样是是由由气气体体性性质质决决定定的的常常数数(与与气气体体分分子子的的自自由由度度数有关数有关).讨论讨论:CP 只只与与分分子子自自由由度度数数有有关关,是是反反映映气气体体性性质的热力学常数质的热力学常数.由由可得可得理想气体的理想气体的CP比比CV大一常数大一常数 R=8.31 J/molK.迈耶公式迈耶公式等等压压过过程程中中温温度度每每升升高高1 K,1 mol理理想想气气体体要要多多吸吸收收8.31 J的的热热量量.与与等等容容过过程程相相比比,多多吸吸收收的热量用于膨胀时对外做功的热量用于膨胀时对外做功.气气体体普普适适常常
13、数数R:1 mol理理想想气气体体在在等等压压过过程程中中温度每升高温度每升高1 K对外所做的功对外所做的功.比热容之比比热容之比令令称为称为比热容之比比热容之比由由(3)等温过程等温过程:温度温度 T 保持不变的过程保持不变的过程.等温线等温线V1V2VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图图ATP1P2恒恒温温热热源源QTATT=0气体吸收的热量气体吸收的热量 QT 气体所做的功气体所做的功理想气体状态方程理想气体状态方程内能变化内能变化热力学第一定律热力学第一定律等等温温过过程程中中,气气体体吸吸收收的的热热量量全全部部用用来来对对外外做功做功.既然温度恒定既然温度恒
14、定,气体的内能保持不变气体的内能保持不变.2.理理想想气气体体的的绝绝热热过过程程:气气体体和和外外界界没没有有热热量量交换的过程交换的过程.绝热线V1V2VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图图AaP1P2Aa绝热套Q=0气体吸收的热量气体吸收的热量 Qa=0气体所做的功气体所做的功 Aa内能变化内能变化热力学第一定律表示为热力学第一定律表示为绝热过程中绝热过程中,气体对外做功等于其内能的减少气体对外做功等于其内能的减少.(1)绝热过程方程绝热过程方程绝绝热热过过程程中中,P、V、T 三三个个状状态态参参量量均均发发生生变变化化,其间的关系如何？其间的关系如何？理想气体
15、状态方程理想气体状态方程取微分有取微分有热力学第一定律热力学第一定律在在(1)式与式与(2)式中消去式中消去dT于是有于是有绝绝热热过过程程方方程程反反映映了了气气体体系系统统三三个个状状态态参参量间的联系量间的联系.同理可得同理可得上述三个方程统称为上述三个方程统称为绝热过程方程绝热过程方程.注意注意:三个方程中的三个常数是不同的三个方程中的三个常数是不同的.(2)绝热线与等温线绝热线与等温线等温线等温线VPo绝热线绝热线P-V图图D在在P-V 图图中中,绝绝热热线线比比等等温温线线要要陡陡,即即绝绝热线的斜率比等温线的斜率大热线的斜率比等温线的斜率大,为什么？为什么？设设右右图图中中绝绝热
16、热线线与与等等温线交于温线交于D点点:对绝热过程对绝热过程,有有对等温过程对等温过程,有有由于由于所以所以等温线等温线VPo绝热线绝热线P-V图图D气气体体体体积积增增量量 V相相同同时时,绝绝热热过过程程的的压压力力降降低低 大大于于等等温温过过程程的的压压力力降降低低 ,其其原原因因在在于于:等等温温过过程程中中,温温度度不不变变表表明明只只有有体体积积变变化化一一个个因因素素引引起起压压强强的的变变化化;而而在在绝热过程中绝热过程中,体积与温度同时在变体积与温度同时在变.VPo等温线等温线绝热线绝热线DV1V2P1P2P3VPTPa6.3 循环过程循环过程 本本节节讨讨论论典典型型的的卡
17、卡诺诺循循环环,并并由由此此说说明明热机的基本原理和效率热机的基本原理和效率.循环过程循环过程卡诺正循环卡诺正循环-热机热机卡诺逆循环卡诺逆循环-致冷机致冷机1.循环过程循环过程循循环环过过程程:热热力力学学系系统统状状态态发发生生一一系系列列变变化化后后,又回到原来的初始状态又回到原来的初始状态循环循环.循环的重要特征循环的重要特征:在在P-V 图上是一闭合曲线图上是一闭合曲线.始末状态的内能变化为零始末状态的内能变化为零.循循环环的的目目的的:利利用用工工作作物物质质的的循循环环过过程程连连续续不不断地断地把热量转换为有用的功把热量转换为有用的功.VPoABCDAV1V2热机热机:持续实现
18、热功转换的装置持续实现热功转换的装置.如何实现热功转换？如何实现热功转换？等温膨胀等温膨胀是理想的热功转换过程是理想的热功转换过程.然然而而,单单一一的的等等温温膨膨胀胀过过程程无无法法实实现现持持续续不不断断的热功转换的热功转换.等温线等温线V1V2VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)ATP1P2恒恒温温热热源源QTATT=0要维持热功转换必须依靠要维持热功转换必须依靠循环过程循环过程.由由初初态态A开开始始,工工作作气气体体经经B状状态态膨膨胀胀对对外外做做功功A1,在在P-V 图上等于图上等于A-B-C曲线下的面积曲线下的面积.由由C状状态态开开始始,外外界界压压缩缩工工
19、作作气气体体,经经历历D状状态态回回到到初初态态,其其间间外外界界做做功功A2,在在P-V图图中为中为C-D-A曲线下的面积曲线下的面积A1.经历一次循环经历一次循环,工作气体对外所做的净功为工作气体对外所做的净功为(即闭合曲线所包围的面积即闭合曲线所包围的面积)VPoABCDAV1V2正正循循环环:在在P-V图图上上循循环环沿沿顺顺时时针针方方向向,表表现现为为工作气体对外工作气体对外做正功做正功.逆逆循循环环:在在P-V图图上上循循环环沿沿逆逆时时针针方方向向,表表现现为为工作气体对外工作气体对外做负功做负功.VPoABCDAV1V2正循环正循环VPoABCD-AV1V2逆循环逆循环循环效
20、率循环效率(热机效率热机效率):2.卡诺卡诺循环循环 1842年年,法法国国青青年年工工程程师师卡卡诺诺率率先先提提出出了了热力学第二定律热力学第二定律.卡诺循环卡诺循环由两个绝热过程和两个等温过程组成由两个绝热过程和两个等温过程组成.高温热源高温热源T1低温热源T2Q1Q2A=Q1-Q2工工作作物物质质VPoP-V图图等温线等温线T1绝热线绝热线a等温线等温线T2bcdV1V2V3V4绝热线绝热线卡诺循环卡诺循环:Q1Q2A锅炉锅炉汽缸汽缸冷却器冷却器水水泵泵VPoP-V 图图等温线等温线T1绝热线绝热线a等温线等温线T2bcdV1V2V3V4绝热线绝热线 等温膨胀等温膨胀:ab 绝热膨胀绝
21、热膨胀:bc 等温压缩等温压缩:cd 绝热压缩绝热压缩:daVPoP-V图等温线等温线T1绝热线绝热线a等温线等温线T2bcdV1V2V3V4绝热线绝热线工工作作气气体体经经历历上上述述卡卡诺诺循循环环(两两等等温温过过程程及两绝热过程及两绝热过程)有有:即即循环效率循环效率(热机效率热机效率)表表示示在在一一次次卡卡诺诺正正循循环环中中,热热量量转转化化为为净净功功(有用功有用功)的百分比的百分比反映了热功转化的能力反映了热功转化的能力.向向低低温温热热源源放出的热量放出的热量由由高高温温热热源源吸收的热量吸收的热量对对外外所所做的功做的功卡诺循环效率卡诺循环效率 和状态参量的关系和状态参量
22、的关系两式相除有两式相除有两绝热过程方程两绝热过程方程:代入代入除以除以有有有有即即将等式将等式代入代入可得可得结论结论:卡卡诺诺循循环环由由两两等等温温过过程程和和两两绝绝热热过过程程组组成成,表明卡诺循环必涉及表明卡诺循环必涉及高温和低温两个热源高温和低温两个热源.注注:一一般般情情况况下下热热机机效效率率为为 ,但但只只有卡诺循环才有有卡诺循环才有 .卡诺循环的效率总是小于卡诺循环的效率总是小于1,max 1?对对该该问问题题的的研研究究促促成成了了热热力力学学第第二二定律的诞生定律的诞生.卡卡诺诺循循环环的的效效率率只只与与两两热热源源温温度度有有关关,与与工工作物质无关作物质无关.温
23、差越大温差越大,循环效率越高循环效率越高.卡卡诺诺循循环环从从高高温温热热源源吸吸收收热热量量,其其中中一一部部分分用用来来对对外外做做功功,另另一一部部分分则则向向低低温温热热源源放放出出,于于是实现了是实现了热功转换热功转换.3.卡诺逆卡诺逆循环循环Q1=A+Q2高温热源高温热源T1低温热源T2Q2A AVPo等温线等温线T1绝热线绝热线a等温线等温线T2绝热线绝热线bcd致致冷冷机机:工工作作物物质质经经历历一一次次卡卡诺诺逆逆循循环环,结果使低温热源温度更低结果使低温热源温度更低.在一次卡诺逆循环中在一次卡诺逆循环中(致冷机致冷机):表表示示在在卡卡诺诺逆逆循循环环中中,消消耗耗单单位
24、位功功使使低低温温热源减少的热量热源减少的热量反映了热机的致冷能力反映了热机的致冷能力.致冷系数致冷系数(致冷功效致冷功效):从低温热源从低温热源吸收的热量吸收的热量外界所外界所 做的功做的功向向高高温温热热源源放出的热量放出的热量结论结论:卡卡诺诺逆逆循循环环从从低低温温热热源源吸吸收收热热量量,并并接接受受外外界界做做功功,而而向向高高温温热热源源放放出出热热量量实实现现致致冷冷的的功能功能.低低温温热热源源温温度度越越低低,高高低低温温热热源源温温差差越越大大,致冷系数越小致冷系数越小.致致冷冷机机向向高高温温热热源源放放出出热热量量Q1,可可以以作作为为提提供热量的热源供热量的热源热泵
25、热泵.6.4 热力学第二定律热力学第二定律满足第一定律的过程能否实现？满足第一定律的过程能否实现？实实验验表表明明:一一切切实实际际的的热热力力学学过过程程都都只只能能按按一一定的方向进行定的方向进行.热力学第二定律是关于过程进行方向的规律热力学第二定律是关于过程进行方向的规律.可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程热力学第二定律热力学第二定律卡诺定理卡诺定理1.可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程(1)自然现象的不可逆性自然现象的不可逆性耗散过程耗散过程:通过摩擦使功变热的过程是不逆的通过摩擦使功变热的过程是不逆的.热热功功转转换换:热热转转换换为为功功而而不不引引起起其其它它变变化化的的过过程是不可
26、能发生的程是不可能发生的.可可逆逆与与不不可可逆逆过过程程:系系统统由由初初态态出出发发,经经历历某某一一过过程程达达到到另另一一状状态态.如如果果存存在在另另一一过过程程,使使系系统统和和外外界界完完全全复复原原,称称原原过过程程为为可可逆逆过过程程;反反之之,如如果果用用任任何何方方法法都都不不能能使使系系统统和和外外界界完完全全复复原原,则则原过程原过程称为称为不可逆过程不可逆过程.自然界中的一切实际过程都是自然界中的一切实际过程都是不可逆的不可逆的.准静态过程准静态过程是理想的是理想的、无耗散的无耗散的可逆过程可逆过程.(2)热传导热传导热传导热传导热传导过程是不可逆的热传导过程是不可
27、逆的T1 T2Q TT(3)气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀气体的气体的绝热绝热、自由膨胀过程自由膨胀过程是不可逆过程是不可逆过程.一一切切与与热热现现象象有有关关的的宏宏观观过过程程都都是是按按一一定定方向进行的方向进行的,均为均为不可逆过程不可逆过程.真空绝绝热热套套绝绝热热套套2.热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 100%的的热热机机属属第第一一类类永永动动机机,它它违违反反热热力力学第一定律学第一定律,因而是不可能制成的因而是不可能制成的.第第二二类类永永动动机机:只只从从高高温温热热源源吸吸热热,且且将将全全部部热量用于对外做功热量用于对外做功.热热力力学学第第二二定定律
28、律的的开开尔尔文文表表述述:不不可可能能制制成成一一循循环环动动作作的的热热机机,只只从从单单一一热热源源吸吸热热,使使之之完完全变为有用的功而不产生其它影响全变为有用的功而不产生其它影响.因因此此,第第二二类类永永动动机机违违反反热热力力学学第第二二定定律律,同同样是不可能制成的样是不可能制成的.卡卡诺诺逆逆循循环环表表明明热热量量从从低低温温物物体体传传到到高高温温物物体必需依靠外界做功体必需依靠外界做功.基基于于热热量量传传递递的的特特点点,克克劳劳修修斯斯的的热热力力学学其其次次定定律律表表述述为为:热热量量不不行行能能自自发发地地从从低低温温物物体传到高温物体体传到高温物体,而不引起
29、其他变更而不引起其他变更.可可以以证证明明:热热力力学学其其次次定定律律的的开开尔尔文文表表述述和和克劳修斯表述是等价的克劳修斯表述是等价的.3.卡诺定理卡诺定理卡卡诺诺循循环环中中每每一一分分过过程程都都是是准准静静态态过过程程,所所以以卡诺循环是理想的卡诺循环是理想的可逆循环可逆循环.由热力学第二定律可证明由热力学第二定律可证明:卡卡诺诺定定理理:在在相相同同的的高高温温热热源源(T1)与与低低温温热热源源(T2)之之间间工工作作的的一一切切可可逆逆机机,其其效效率率相相等等且且与工作物质无关与工作物质无关,即即 卡卡诺诺逆逆定定理理:在在相相同同的的高高温温热热源源(T1)与与低低温温热
30、热源源(T2)之之间间工工作作的的一一切切不不可可逆逆机机,其其效效率率不不高于可逆机高于可逆机.卡诺逆定理卡诺逆定理为提高热机效率指明了方向为提高热机效率指明了方向.6.5 熵与熵增加原理熵与熵增加原理一一切切与与热热现现象象有有关关的的实实际际(宏宏观观)过过程程都都是是不可逆的不可逆的.如何描述这种状态变化的方向？如何描述这种状态变化的方向？通通过过引引入入状状态态函函数数熵熵可可描描述述系系统统状状态态变变化化的的方方向向,并并给给出出热热力力学学第第二二定定律律的的微微观观解释解释.熵的定义熵的定义熵增加原理熵增加原理热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义1.熵的定义熵的定
31、义热热传传导导过过程程:热热量量总总是是从从高高温温物物体体自自发发地地传传向向低温物体低温物体,而相反的过程是不可能发生的而相反的过程是不可能发生的.气气体体自自由由膨膨胀胀过过程程:气气体体自自发发地地向向真真空空膨膨胀胀而而充满整个容器充满整个容器,反之绝不可能反之绝不可能.不不可可逆逆过过程程的的共共同同特特征征:一一系系统统处处于于初初态态时时,总总要要发发生生向向末末态态的的自自发发过过渡渡.当当系系统统处处于于末末态态时时,而不可能发生向初态的自发过渡而不可能发生向初态的自发过渡.由此说明由此说明:两种状态的属性存在本质差异两种状态的属性存在本质差异.如何用物理量来描述系统状态的
32、这种属性呢如何用物理量来描述系统状态的这种属性呢?熵熵 熵熵是状态的单值函数是状态的单值函数;熵熵值只超一个方向变化值只超一个方向变化;熵熵不同于内能不同于内能.自由膨胀自由膨胀过程具有鲜明的方向性过程具有鲜明的方向性,但但内能不变内能不变.卡诺循环卡诺循环:Q2:气体从低温热源气体从低温热源T2吸收吸收的热量的热量.Q1:气体从高温热源气体从高温热源T1吸收的热量吸收的热量;由由卡卡诺诺定定理理知知,对对任任一一卡卡诺诺机机,上上式式都都成成立立且且与与工作物质无关工作物质无关:结论结论:物理量物理量 Q/T 的总和在卡诺循环中恒为的总和在卡诺循环中恒为0.对任意可逆循环过程有对任意可逆循环
33、过程有:VPo任任意意可可逆逆循循环环可可视视为为由由无限个卡诺循环组成无限个卡诺循环组成:dQ:无限小等温过程中气体吸收的热量无限小等温过程中气体吸收的热量.结结论论:上上述述积积分分与与路路径径及及过过程程无无关关,即即与与无无关关,说明物理量说明物理量 是系统状态的函数是系统状态的函数.定义定义:作为状态单值函数的作为状态单值函数的熵熵(S)增量为增量为所以所以,可逆循环的熵增量为可逆循环的熵增量为0.因此因此,对任意的可逆循环有对任意的可逆循环有对对孤立系统孤立系统的任意可逆过程的任意可逆过程,熵增量为熵增量为或或2.熵增加原理熵增加原理不可逆过程如何？不可逆过程如何？(1)气体的绝热
34、自由膨胀气体的绝热自由膨胀其中其中,等温压缩过程的熵增量等温压缩过程的熵增量:绝热自由膨胀绝热自由膨胀等温压缩等温压缩设想设想Q为等温压缩过程中气体向外界为等温压缩过程中气体向外界放出的热量放出的热量.所以有所以有熵与过程无关熵与过程无关,故绝热自由膨胀过程同样有故绝热自由膨胀过程同样有结论结论:绝热自由膨胀过程的熵变大于零绝热自由膨胀过程的熵变大于零.(2)热传导热传导结论结论:封闭系统热传导过程中封闭系统热传导过程中,熵增量大于零熵增量大于零.系统总熵增量为系统总熵增量为物体物体 II 吸收热量吸收热量,熵增量为熵增量为物体物体 I 放出热量放出热量,熵增量为熵增量为0T1 T2dQ封闭系
35、统封闭系统III熵熵增增加加原原理理:孤孤立立系系统统内内发发生生的的任任何何过过程程都是不可逆的都是不可逆的,即熵总是增加的即熵总是增加的.只有可逆过程的熵增量才等于只有可逆过程的熵增量才等于0.不可逆过程不可逆过程可逆过程可逆过程讨论讨论:熵熵增增加加原原理理只只对对封封闭闭的的孤孤立立系系统统适适用用.对对于于开放系统开放系统,借助外界力量可使熵变小于借助外界力量可使熵变小于0.熵熵增增加加原原理理是是热热力力学学第第二二定定律律的的数数学学表表示示,一切自发过程总是沿着熵增加方向进行的一切自发过程总是沿着熵增加方向进行的.熵熵增增量量可可用用来来判判断断实实际际过过程程进进行行的的方方
36、向向和和限度限度.2.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义孤孤立立系系统统内内部部发发生生的的过过程程总总是是由由小小概概率率状状态态向向大大概概率率状状态态进进行行,或或由由包包含含微微观观态态数数目目少少的的宏宏观观态向包含微观态数目多的宏观态过渡态向包含微观态数目多的宏观态过渡.热力学概率热力学概率分子数分布概率分子数分布概率熵熵微观微观:孤立系统总是超大孤立系统总是超大概率的宏观态方向进行概率的宏观态方向进行.宏观宏观:孤立系统总是向孤立系统总是向熵增加的方向进行熵增加的方向进行.玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数热力学概率热力学概率热热力力学学其其次次定定律律是是对对大大量量观观测测结结果果的的总总结结:自然界中一切自发过程都是不行逆的自然界中一切自发过程都是不行逆的.茶茶杯杯从从桌桌上上掉掉下下摔摔碎碎后后,没没有有人人看看到到碎碎片片自自身按原路蹦回又组成一只完整的杯子身按原路蹦回又组成一只完整的杯子.热热力力学学其其次次定定律律否否定定这这些些逆逆过过程程的的发发生生,并并指指出出,孤孤立立系系统统的的熵熵恒恒久久不不行行能能削削减减;充充其其量熵保持不变量熵保持不变.