7-9熵增加原理热力学第二定律的统计意义.ppt

7-9 7-9 熵增加原理熵增加原理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 1.1.熵增加原理熵增加原理熵增加原理熵增加原理 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，而有熵增加原理熵增加原理熵增加原理熵增加原理2.2.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 一个不受外界影响的孤立系统，其内部发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生的过程，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的宏观状态进行，这是热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。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。向低温物体的自发传递、热功转换等过程。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。热力学第二定律的统计意义的数学描述热力学第二定律的统计意义的数学描述 孤立系统内部发生的过程，总是由包含微观状孤立系统内部发生的过程，总是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的宏观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。这是熵增加原理的微观实质。状态进行。这是熵增加原理的微观实质。热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义例例题题7-8 今今有有1kg，00C的的冰冰融融化化成成00C 的的水水，求求其其熵变（设冰的融解热为熵变（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，计计算时设冰从算时设冰从0 0 C C 的恒温热源中吸热，过程是可逆的，的恒温热源中吸热，过程是可逆的，则则热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 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 00 0C 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境作作为为一一个个整整体体来来看看，在在这这过过程程中中熵熵也是增加的。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 00 0C C的的环环境境放放热热。对对于于这这样样的的系系统统，同同样样导导致熵的增加。致熵的增加。热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义例例题题7-9 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 ，则有则有热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义我们求得总的熵变为我们求得总的熵变为:（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热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义3.3.熵增与能量退化熵增与能量退化熵增与能量退化熵增与能量退化 熵越大，系统的能量中不再可供利用的部熵越大，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分就越多，所以熵表示系统内部能量的“退化退化”或或“贬值贬值”，即熵是能量不可利用程度的量，即熵是能量不可利用程度的量度。度。能量不仅有形式上的不同，而且还有质的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，而内能是不能全部转化的无序能量。序能量，而内能是不能全部转化的无序能量。4.4.熵增和热寂熵增和热寂熵增和热寂熵增和热寂热热寂：寂：19世纪的一些物理学家，把热力学第二世纪的一些物理学家，把热力学第二定律推广到整个宇宙，认为宇宙的熵将去于极定律推广到整个宇宙，认为宇宙的熵将去于极大，因此一切宏观的变化都将停止，宇宙将进大，因此一切宏观的变化都将停止，宇宙将进入入“一个永恒的死寂状态一个永恒的死寂状态”，这就是热寂说。，这就是热寂说。临界密度：临界密度：1922年，前苏联物理学家弗里德曼年，前苏联物理学家弗里德曼在爱因斯坦引力场方程的理论研究中发现，存在爱因斯坦引力场方程的理论研究中发现，存在一个临界密度，若宇宙的平均密度小于临界在一个临界密度，若宇宙的平均密度小于临界密度，则宇宙是开放的、无限的，会一直膨胀密度，则宇宙是开放的、无限的，会一直膨胀下去，否则膨胀到一定时刻会转为收缩。下去，否则膨胀到一定时刻会转为收缩。哈勃红移与宇宙膨胀：哈勃红移与宇宙膨胀：1929年，美国天文学家哈年，美国天文学家哈勃通过研究星系的光谱线的红移规律得出宇宙在勃通过研究星系的光谱线的红移规律得出宇宙在整体膨胀的结论。整体膨胀的结论。一个膨胀的宇宙，其每一瞬时可能达到的最大一个膨胀的宇宙，其每一瞬时可能达到的最大熵熵Sm是与时俱增的，实际上宇宙的熵值的增长落是与时俱增的，实际上宇宙的熵值的增长落后于后于Sm的增长，二者的差距越来越大。因此，宇的增长，二者的差距越来越大。因此，宇宙的熵虽然在不断增大，但是它离平衡态却愈来宙的熵虽然在不断增大，但是它离平衡态却愈来愈远，宇宙充满了由无序向有序的发展变化，呈愈远，宇宙充满了由无序向有序的发展变化，呈现在我们面前的是一个丰富多彩、千差万别、生现在我们面前的是一个丰富多彩、千差万别、生气勃勃的世界。气勃勃的世界。熵增和热寂熵增和热寂熵增和热寂熵增和热寂哈勃红移与宇宙膨胀：哈勃红移与宇宙膨胀：1929年，美国天文学家哈年，美国天文学家哈勃通过研究星系的光谱线的红移规律得出宇宙在勃通过研究星系的光谱线的红移规律得出宇宙在整体膨胀的结论。整体膨胀的结论。一个膨胀的宇宙，其每一瞬时可能达到的最一个膨胀的宇宙，其每一瞬时可能达到的最大熵大熵Sm是与时俱增的，实际上宇宙的熵值的增长是与时俱增的，实际上宇宙的熵值的增长落后于落后于Sm的增长，二者的差距越来越大。因此，的增长，二者的差距越来越大。因此，宇宙的熵虽然在不断增大，但是它离平衡态却愈宇宙的熵虽然在不断增大，但是它离平衡态却愈来愈远，宇宙充满了由无序向有序的发展变化，来愈远，宇宙充满了由无序向有序的发展变化，呈现在我们面前的是一个丰富多彩、千差万别、呈现在我们面前的是一个丰富多彩、千差万别、生气勃勃的世界。生气勃勃的世界。熵增和热寂熵增和热寂熵增和热寂熵增和热寂