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1、热力学熵的热力学定义和统计本质现在学习的是第1页，共22页4个分子时的分配方式个分子时的分配方式左半边左半边右半边右半边abcd0abcbcdcdadabdabc0abcdabcbcdcdadabdabccdadabbcacdbabbccddabdac(微观态数微观态数24,宏观态数宏观态数5,每一种微观态概率每一种微观态概率(1/24)可以推知有可以推知有 N 个分子时，分子的总微观态数个分子时，分子的总微观态数2N，总宏观态数，总宏观态数(N+1)，每一种微观态概率，每一种微观态概率(1/2N)现在学习的是第2页，共22页20个分子的位置分布个分子的位置分布 宏观状态一种宏观状态对应的微观
2、状态数 左20 右0 1 左18 右2 190 左15 右5 15504 左11 右9 167960 左10 右10 184756 左9 右11 167960 左5 右15 15504 左2 右18 190 左0 右20 1包含微观状态数最多的宏观状态是出现的概率最大的状态包含微观状态数最多的宏观状态是出现的概率最大的状态现在学习的是第3页，共22页(1)系统某宏观态出现的概率系统某宏观态出现的概率与该宏观态对应的微观态与该宏观态对应的微观态数成正比。数成正比。(2)N 个分子全部聚于一个分子全部聚于一侧的概率为侧的概率为1/(2N)(3)平衡态是概率最大的宏观平衡态是概率最大的宏观态，其对应
3、的微观态数态，其对应的微观态数目最大。目最大。N/2结论结论孤立系统中发生的一切实际过程都是从微观态数少的宏观态孤立系统中发生的一切实际过程都是从微观态数少的宏观态向微观态数多的宏观态进行向微观态数多的宏观态进行.左侧分子数左侧分子数n(n)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现在学习的是第4页，共22页3.分析几个不可逆过程分析几个不可逆过程(1)气体的自由膨胀气体的自由膨胀气体可以向真空自由膨胀但却不能自动收缩。因为气体气体可以向真空自由膨胀但却不能自动收缩。因为气体自由膨胀的初始状态所对应的微观态数最少，最后的均自由膨胀的初始状态所对应的微观态数最少，最后的均匀分布状态对
4、应的微观态数最多。如果没有外界影响，匀分布状态对应的微观态数最多。如果没有外界影响，相反的过程，实际上是不可能发生的。相反的过程，实际上是不可能发生的。(2)热传导热传导两物体接触时，能量从高温物体传向低温物体的概率，两物体接触时，能量从高温物体传向低温物体的概率，要比反向传递的概率大得多！因此，热量会自动地从要比反向传递的概率大得多！因此，热量会自动地从高温物体传向低温物体，相反的过程实际上不可能自高温物体传向低温物体，相反的过程实际上不可能自动发生。动发生。现在学习的是第5页，共22页功转化为热就是有规律的宏观运动转变为分子的无序热功转化为热就是有规律的宏观运动转变为分子的无序热运动，这种
5、转变的概率极大，可以自动发生。相反，运动，这种转变的概率极大，可以自动发生。相反，热转化为功的概率极小，因而实际上不可能自动发生。热转化为功的概率极小，因而实际上不可能自动发生。(3)功热转换功热转换二二.熵熵 熵增原理熵增原理1.熵熵熵是系统状态的单值函数熵是系统状态的单值函数（1）宏观上）宏观上满足可加性：满足可加性：（2）微观上）微观上熵是系统微观态数的函数熵是系统微观态数的函数 微观态数满足相乘法则：微观态数满足相乘法则：现在学习的是第6页，共22页玻耳兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式k 为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数2.熵增原理熵增原理122 1(自动进行自动进行)孤立系统孤立系统熵的单位熵的
6、单位(等号仅适用于可逆过程等号仅适用于可逆过程)孤立系统的熵永不会减少。这一结论称为孤立系统的熵永不会减少。这一结论称为熵增原理熵增原理从从状态状态(1)变化到变化到状态状态(2)的过程中，熵的增量为的过程中，熵的增量为现在学习的是第7页，共22页说明说明(5)熵增原理只能应用于孤立系统熵增原理只能应用于孤立系统(1)熵是系统内熵是系统内 分子热运动的无序性的一种量度分子热运动的无序性的一种量度(2)熵是系统失去信息的量度熵是系统失去信息的量度(3)熵是状态量熵是状态量(4)熵熵是一个宏观量是一个宏观量，对大量的分子才有意义对大量的分子才有意义非孤立系统：非孤立系统：系统内部系统内部熵产生熵产
7、生外界外界熵流熵流当当现在学习的是第8页，共22页以等温膨胀为例：以等温膨胀为例：摩尔气体中共有摩尔气体中共有N 个分子，个分子，体积体积把空间分为许多小体积把空间分为许多小体积n个小体积个小体积每个分子有每个分子有n个微观态个微观态个小体积个小体积个微观态个微观态每个分子有每个分子有3.熵的宏观表示熵的宏观表示N个分子微观态增大个分子微观态增大等温过程气体吸收热量等温过程气体吸收热量现在学习的是第9页，共22页对于系统从对于系统从状态状态(1)变化到变化到状态状态(2)的有限的有限可逆过程可逆过程来说，则熵的增来说，则熵的增量为量为 说明说明对于可逆过程可以直接使用上式计算熵变对于可逆过程可
8、以直接使用上式计算熵变对于对于不可逆过程不可逆过程，欲计算熵变必须设计一条连接欲计算熵变必须设计一条连接状态状态(1)与与状态状态(2)的的可逆过程可逆过程。在无限小的可逆过程中，在无限小的可逆过程中，现在学习的是第10页，共22页用熵增原理证明理想气体的自由膨胀是不可逆过程。用熵增原理证明理想气体的自由膨胀是不可逆过程。例例证证设膨胀前系统的状态参数为设膨胀前系统的状态参数为膨胀后系统的状态参数为膨胀后系统的状态参数为设想一可逆等温膨胀过程设想一可逆等温膨胀过程,在此过程中系统吸热在此过程中系统吸热 熵增加的过程是一个不可逆过程熵增加的过程是一个不可逆过程另解：另解：(V1 ，p1，T，S1
9、)(V2 ，p2，T，S2)现在学习的是第11页，共22页求理想气体的熵函数求理想气体的熵函数设系统的初始状态参量为设系统的初始状态参量为 (p0,V0,T0,S0 )末状态参量为末状态参量为 (p,V,T,S )例例解解选任一选任一可逆过程可逆过程，则末始两状态的熵增量为，则末始两状态的熵增量为现在学习的是第12页，共22页热力学习题课热力学习题课1.准静态过程的功、内能、热量准静态过程的功、内能、热量 2.摩尔热容摩尔热容3.热力学第一定律热力学第一定律现在学习的是第13页，共22页4.几个典型过程几个典型过程等体等体等压等压等温等温绝热绝热多方多方5.循环过程循环过程热机效率热机效率致冷
10、机效率致冷机效率卡诺循环效率卡诺循环效率6.热力学第二定律热力学第二定律两种表述及其关系两种表述及其关系可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程现在学习的是第14页，共22页例例解解如图，如图，abcd为为1mol单原子理想气体的循环过程单原子理想气体的循环过程求求（1）气体循环一次从外界吸收的热量）气体循环一次从外界吸收的热量（2）系统对外作的功）系统对外作的功（3）循环效率）循环效率（4）证明）证明(1)pV1d322cab吸热吸热现在学习的是第16页，共22页吸热吸热放热放热(2)(3)pV1d322cab(4)现在学习的是第17页，共22页例例解解一容器装有一容器装有 1mol 单原子理想气体单原子理想气体,温度为温度为 T1=546K,一循环热一循环热机从容器内的气体中吸热作功机从容器内的气体中吸热作功,并向温度为并向温度为 T2=273K 的低温热源的低温热源放热放热(低温热源温度可近似看作不变低温热源温度可近似看作不变),求该热机最多能作多少功求该热机最多能作多少功?设某一循环中高温热源温度为设某一循环中高温热源温度为T,则则现在学习的是第18页，共22页