2021-2022学年高二物理竞赛熵增加原理热力学第二定律的统计意义 课件.pptx

上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出熵增加原理熵增加原理 热力学热力学第二定律的第二定律的统计意义统计意义上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 孤立系统：孤立系统：与外界既不交换物质也不交换能量与外界既不交换物质也不交换能量的系统叫孤立系统。的系统叫孤立系统。熵增加原理：熵增加原理：在孤立系统中发生的任何不可逆在孤立系统中发生的任何不可逆过程，都导致整个系统熵的增加，系统的熵只有在过程，都导致整个系统熵的增加，系统的熵只有在可逆过程中才是不变的。可逆过程中才是不变的。如可逆绝热过程是一个等熵过程，绝热自由膨如可逆绝热过程是一个等熵过程，绝热自由膨胀是一个熵增加的过程。胀是一个熵增加的过程。熵增加原理熵增加原理 热力学第二定律的热力学第二定律的统计意义统计意义一、熵增加原理一、熵增加原理上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出熵增加原理的数学描述熵增加原理的数学描述 以上两式的等号均用于可逆过程，而不等号以上两式的等号均用于可逆过程，而不等号则用于不可逆过程。则用于不可逆过程。若系统经历绝热过程，则因若系统经历绝热过程，则因 ，而有，而有上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 一个不受外界影响的孤立系统，其内部发生的过一个不受外界影响的孤立系统，其内部发生的过程，总是由概率小的状态向概率大的状态进行，由包程，总是由概率小的状态向概率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行，这是热力学第二定律的统计意义。的宏观状态进行，这是热力学第二定律的统计意义。如气体的绝热自由膨胀、热量从高温物体向低温如气体的绝热自由膨胀、热量从高温物体向低温物体的自发传递、热功转换等过程。物体的自发传递、热功转换等过程。数学描述数学描述:系统某一状态的熵值越大，系统某一状态的熵值越大，它所对应的宏观状它所对应的宏观状态越无序。态越无序。孤立系统总是倾向于熵值最大。孤立系统总是倾向于熵值最大。二、二、热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出例例题题6-8 今今有有1kg，0 C C的的冰冰融融化化成成0 C C 的的水水，求求其其熵熵变（设冰的融解热为变（设冰的融解热为3.35 105J/kg)。解解:在这个过程中，温度保持不变，即在这个过程中，温度保持不变，即T=273K，计算计算时设冰从时设冰从0 0 C C 的恒温热源中吸热，过程是可逆的，则的恒温热源中吸热，过程是可逆的，则 在在实实际际融融解解过过程程中中，冰冰须须从从高高于于0 0 C C的的环环境境中中吸吸热热。冰冰增增加加的的熵熵超超过过环环境境损损失失的的熵熵，所所以以，若若将将系系统统和和环环境作为一个整体来看，在这过程中熵也是增加的境作为一个整体来看，在这过程中熵也是增加的.如如让让这这个个过过程程反反向向进进行行，使使水水结结成成冰冰，将将要要向向低低于于0 0 C C的环境放热。对于这样的系统，同样导致熵的增加的环境放热。对于这样的系统，同样导致熵的增加.上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出例例题题6-9 有有一一热热容容为为C1、温温度度为为T1的的固固体体与与热热容容为为C2、温度为、温度为T2的液体共置于一绝热容器内。的液体共置于一绝热容器内。（1）试求平衡建立后，系统最后的温度；）试求平衡建立后，系统最后的温度；（2）试确定系统总的熵变。）试确定系统总的熵变。由此得由此得解解:因能量守恒要求一物体丧失的热量等于另一因能量守恒要求一物体丧失的热量等于另一物体获得的热量；设最后温度为物体获得的热量；设最后温度为 ，则有，则有上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出我们求得总的熵变为我们求得总的熵变为:（2 2）对对于于无无限限小小的的变变化化来来说说,dQ=CdT.设设固固体体的的升升温过程是可逆的温过程是可逆的,设想液体的降温过程也是可逆的设想液体的降温过程也是可逆的上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 能量不仅有形式上的不同，而且还有质的差别。机能量不仅有形式上的不同，而且还有质的差别。机械能和电磁能是可以被全部利用的有序能量，而内能是械能和电磁能是可以被全部利用的有序能量，而内能是不能全部转化的无序能量。熵增加意味着系统能量中成不能全部转化的无序能量。熵增加意味着系统能量中成为不可用能量的程度在增大，这为不可用能量的程度在增大，这叫做能量的退化。叫做能量的退化。熵与能都是状态函数，两者关系密切，而意义完熵与能都是状态函数，两者关系密切，而意义完全不同。全不同。“能能”这一概念是从正面量度运动的转化能这一概念是从正面量度运动的转化能力的，能愈大，运动转化的能力愈大；熵却是从反面，力的，能愈大，运动转化的能力愈大；熵却是从反面，即运动不能转化的一面量度运动转化的能力，熵愈大，即运动不能转化的一面量度运动转化的能力，熵愈大，系统的能量中不再可供利用的部分就越多，所以熵表系统的能量中不再可供利用的部分就越多，所以熵表示系统内部能量的示系统内部能量的“退化退化”或或“贬值贬值”，即，即熵是能量熵是能量不可利用程度的量度。不可利用程度的量度。*三、三、熵增与能量退化熵增与能量退化上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出物质或能量的转化问题的三条基本规律：物质或能量的转化问题的三条基本规律：(1)(1)物质守恒定律物质守恒定律 物质可以从一种形式转化物质可以从一种形式转化为另一种形式，但它既不能产生，也不能消灭为另一种形式，但它既不能产生，也不能消灭 (2)(2)能量守恒定律普遍的能量守恒与转化定律能量守恒定律普遍的能量守恒与转化定律是大家所熟悉的，对一个孤立系统，其总能量是是大家所熟悉的，对一个孤立系统，其总能量是一个恒量力学中的机械能守恒定律、流体力学一个恒量力学中的机械能守恒定律、流体力学中的伯努利方程、热学中的热力学第一定律、电中的伯努利方程、热学中的热力学第一定律、电学中的基尔霍夫第一定律、量子物理中的爱因斯学中的基尔霍夫第一定律、量子物理中的爱因斯坦光电效应方程等，都是能量守恒定律在不同物坦光电效应方程等，都是能量守恒定律在不同物理过程中的具体表现理过程中的具体表现上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出可逆过程：可逆过程：系统状态变化过程中系统状态变化过程中,逆过程能重复正逆过程能重复正过程的每一个状态过程的每一个状态,且不引起其他变化的过程。且不引起其他变化的过程。在热力学中，过程可逆与否与系统所经历的在热力学中，过程可逆与否与系统所经历的中间状态是否为平衡状态有关。中间状态是否为平衡状态有关。实现的条件实现的条件:过程无限缓慢过程无限缓慢,没有耗散力作功。没有耗散力作功。不可逆过程：不可逆过程：在不引起其它变化的条件下，不能在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一个状态的过程。使逆过程重复正过程的每一个状态的过程。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出b.不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可 逆的原因，只有当过程中的每一步，系统都无逆的原因，只有当过程中的每一步，系统都无 限接近平衡态，而且没有摩擦等耗散因素时，限接近平衡态，而且没有摩擦等耗散因素时，过程才是可逆的。过程才是可逆的。c.不可逆过程并不是不能在反方向进行的过程，不可逆过程并不是不能在反方向进行的过程，而是当逆过程完成后，对外界的影响不能消除。而是当逆过程完成后，对外界的影响不能消除。a.自然界中一切自发过程都是不可逆过程。自然界中一切自发过程都是不可逆过程。讨论：讨论：上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 (1)(1)在温度为在温度为 的高温热源和温度为的高温热源和温度为 的低温热的低温热源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作物质无关，其效率为物质无关，其效率为:(2)(2)在温度为在温度为 的高温热源和温度为的高温热源和温度为 的低温热的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆热机的效率。热机的效率。卡诺定理指出了提高热机效率的途径：卡诺定理指出了提高热机效率的途径：a.使热机尽量接近可逆机使热机尽量接近可逆机；b.尽量提高两热源的温度差。尽量提高两热源的温度差。卡卡 诺诺 卡诺定理卡诺定理上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 （1 1）在温度为）在温度为 的高温热源和温度为的高温热源和温度为 的低温热的低温热源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作物质无关，其效率为物质无关，其效率为:可可逆逆热热机机E 卡卡诺诺热热机机E 工作在相同的高低温热源工作在相同的高低温热源 T1、T2 间的间的卡诺热机卡诺热机E与可逆与可逆热机热机E,设法使之做相等的功设法使之做相等的功 A 而连接起来。它们的效率分而连接起来。它们的效率分别为别为:卡诺定理的证明卡诺定理的证明上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 用反证法，用反证法，假设假设得到得到两部热机一起工作，成为一部复合机，结果外界不对两部热机一起工作，成为一部复合机，结果外界不对复合机作功，而复合机却将热量复合机作功，而复合机却将热量 从低温热源送到高温热源，违反热力学第二定律。从低温热源送到高温热源，违反热力学第二定律。所以所以 不可能，即不可能，即反之可证反之可证 不可能，即不可能，即上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 (2)(2)在温度为在温度为 的高温热源和温度为的高温热源和温度为 的的 低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率 不可能大于可逆热机的效率。不可能大于可逆热机的效率。同上的方法，用一不可逆热机同上的方法，用一不可逆热机 代替代替 可逆热机可逆热机 可证明可证明:上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 选择进入下一节选择进入下一节6-0 教学基本要求教学基本要求6-1 热力学第零定律和第一定律热力学第零定律和第一定律6-2 热力学第一定律对于理想气体准静态过程的应用热力学第一定律对于理想气体准静态过程的应用6-3 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环6-4 热力学第二定律热力学第二定律6-5 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 卡诺定律卡诺定律6-6 熵熵 波耳兹曼关系波耳兹曼关系6-7 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6-8 耗散结构耗散结构 信息熵信息熵