10、热力学第二定律.ppt
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1、1,楼塌熵增,热力学第二定律(Second law of thermodynamics),第19章,2,19.1 自然过程的方向,19.2不可逆性的相互依存,19.3热力学第二定律及微观意义,19.4热力学概率与自然过程方向,19.5玻耳兹曼熵公式与熵增加原理,19.6可逆过程,19.9 温熵图,19.10 熵与能量退降,19.7克劳修斯熵公式,19. 8计算熵变,本章目录,3,19.1 自然过程的方向,符合热一律的过程,不一定能在自然界发生,,例如:,重物下落,功全部转化成热而不产生其他变化,可自然进行。,水冷却使叶片旋转,从而提升重物,则不可能自然进行。,4,过程的唯一效果,能否发生,热功
2、转换,热传导,气体扩散,一些自然过程的方向:,全部,全部,5,19.3 热力学第二定律,热力学第二定律是关于自然过程方向的一,一. 热力学第二定律的两种表述:,1.开氏表述(Kelvin, 1851):,其唯一效果是热量全部转变为功的过程是不可能的。,条基本的、普遍的定律。,6,左图所示过程是,思考,开氏表述的另种说法:,2.克氏表述(clausius,1850) :,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,否违反热力学第二定律?,不存在第二类永动机,7,二. 两种表述的等价性,1. 若克氏表述成立,则开氏表述亦成立。,反证法:,开氏表述成立,设开氏表述不成立,则克氏表述不成立,(自证),2.
3、若开氏表述成立,则克氏表述也成立。,8,例. 试证明在 p V图上任意物质的一条等温,证:,用反证法,,设等温线和绝热线能相交两次。,则如图示,可构成一个单热库热机,从而违反热力学第二定律的开氏表述,故假设不成立。,线和一条绝热线不能相交两次。,类似的也可用反证法证明在 p V 图上两条,(自己证明),绝热线不能相交。,热磁轮(KR008),半导体热堆热机(KR009),记忆合金热机(KR010),橡皮条热机(KR012),9,19.6 过程的可逆性(书19.2、19.6节),一. 定义,1.可逆过程(reversible process):,其结果(系统和外界的变化)可以完全,(准静态、无摩
4、擦的过程),被消除的过程。,一般地说,如果外界条件仅改变一个无穷小的量,过程就可反向进行,那么这个过程就是可逆的。,(其结果是系统和外界能同时回到初态)。,可逆过程必然是可以沿原路径反向进行的,10,2. 不可逆过程(irreversible process):,其结果不能完全被消除的过程。,例如:,有限温差热传导,,“一切与热现象有关的实际宏观过程都不可逆”,八宝山,“今天的你我 怎能重复 昨天的故事!”,生命过程是不可逆的:,出生,童年,少年,青年,中年, 不可逆!,老年,气体自由膨胀,摩擦生热,,正如一首歌中唱的:,11,二 . 不可逆过程是相互沟通的,热二律的开氏表述,功全部转换成热而
5、不产生其它影响的过程是不可逆的,热二律的克氏说法,有限温差热传导不可逆,功、热转换的不可逆性,热传导的不可逆性,开氏、克氏表述的等价,(否则热全部转换为功而不产生其它影响成立,,这就违背了热二律的开氏说法。),12,实际上,一切不可逆过程都是相互沟通的。,功变热而不产生其他影响之不可逆(开氏表述),气体自由膨胀之不可逆,证明:,任何一种不可逆过程的表述,都可作为热力学第二定律的表述!,设气体能自动收缩,不成立,不成立,例如:,13,补充: 卡诺定理(Carnot theorem),一.卡诺定理(1824),工作在相同温度的高、低温热库之间的一,(*证明见书P93例19.1),切可逆机的效率都相
6、等,与工作物质无关;,且和不可逆机相比,可逆机的效率最高。,14,反证法证明卡诺定理,=,第二类永动机!,R,假定,15,二. 任意可逆循环的效率,T1 循环的最高温度,T2 循环的最低温度,以上关系证明如下:,由卡诺定理可给出任意可逆循环的效率为:,其中,16,对第i, Qaabb = Qab,故 aabb与 ab 等价,将任意可逆循环分称多个小卡诺循环,,个卡诺循环,令:,又 Eaabb= Eab,对小卡诺循环i 有,17,19.7 克劳修斯熵公式,定律、定理 可以引出新的物理量:,牛顿第二定律 m,热力学第零定律 T,热力学第一定律 E,热力学第二定律 ?,(应反映过程方向),18,又,
7、(1),(2),由(1) (2)有,一. 克劳修斯等式(Clausius equality),将任意可逆循环分成 n 个小卡诺循环来分析,对i :,19, 克劳修斯等式,R 可逆(reversible),循环:,20,二. 熵(entropy)S,存在一个与过程 无关的状态量,单位:J/K ( SI ),S 称为“熵”,,任意可逆过程,21,对于可逆的元过程,有:,热力学第一和第二定律综合的数学表示式:,(可逆过程),可逆绝热过程, 等熵过程,22,三. 理想气体的熵公式,设 CV,m = Const.,则,或,(自己求出),23,四. 熵的计算举例,(1)选定系统 (2)确定状态 (始、末态
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