热学起源 精品文稿.ppt
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1、热学起源 第1页,本讲稿共35页 能量能量是一种守恒的东西,是一种守恒的东西,既不能从虚无中创生又不能被既不能从虚无中创生又不能被消灭,而只能从一种形式转化消灭,而只能从一种形式转化为另一种形式。为另一种形式。如何理解能源危机如何理解能源危机?第2页,本讲稿共35页热力学第二定律的物理意义热力学第二定律的物理意义熵概念的诞生之所以重要,就在于可以将热力学熵概念的诞生之所以重要,就在于可以将热力学第二定律以定量的形式表述出来。即:在孤立系第二定律以定量的形式表述出来。即:在孤立系统中,任何变化不可能导致熵的总值减少,统中,任何变化不可能导致熵的总值减少,一个物理量的物理意义,就是要指出该物理量独
2、一个物理量的物理意义,就是要指出该物理量独特地反映了物质运动的哪方面性质或规律。特地反映了物质运动的哪方面性质或规律。第3页,本讲稿共35页熵在孤立系统内的变化规律只能沿熵增加的方向进行,反映了熵在孤立系统内的变化规律只能沿熵增加的方向进行,反映了孤立系统内经历的过程(自发过程)具有方向性孤立系统内经历的过程(自发过程)具有方向性孤立系统愈接近平衡态,熵的数值愈大,熵在孤立系统内的数值孤立系统愈接近平衡态,熵的数值愈大,熵在孤立系统内的数值大小反映了孤立系统接近平衡态的程度大小反映了孤立系统接近平衡态的程度推论:孤立系统内的熵增是反映能够转变为功的能量多少的量度推论:孤立系统内的熵增是反映能够
3、转变为功的能量多少的量度第4页,本讲稿共35页天道盈亏天道盈亏熵增加能贬值熵增加能贬值高高 温温 T1低低 温温 T2Q2 Q1A可逆可逆Q1、Q2 取绝对值取绝对值效率:效率:产生的机械功:产生的机械功:热量中不可用部分:热量中不可用部分:第5页,本讲稿共35页效率:效率:产生的机械功:产生的机械功:热量中不可用部分:热量中不可用部分:高高 温温 T3低低 温温 T2Q2 Q1A可逆可逆Q1、Q2 取绝对值取绝对值高高 温温 T1Q1热量中不可用部分增量:热量中不可用部分增量:温度为温度为T1与与T3两个物体所构成系统的熵的增量:两个物体所构成系统的熵的增量:熵增加导致了能量的贬值熵增加导致
4、了能量的贬值第6页,本讲稿共35页 因此,某些形式的能量要比另一种形式的因此,某些形式的能量要比另一种形式的更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有序性的某种度量:越无序者越无用。这种无序序性的某种度量:越无序者越无用。这种无序性称为性称为 。这是一个和能量转换相关的热。这是一个和能量转换相关的热力学广延量。这是一个意义深远的物理量。力学广延量。这是一个意义深远的物理量。熵在自然过程中似乎永远在增加。熵在自然过程中似乎永远在增加。I am better than you!第7页,本讲稿共35页能量的品质:逐步降级能量的品质:逐步降级热力学第二定律告诉我们
5、,热能不如别的形式的能量有用,如热力学第二定律告诉我们,热能不如别的形式的能量有用,如飞行的子弹和高举的石头能够将动能和势能全部变为功,而热飞行的子弹和高举的石头能够将动能和势能全部变为功,而热能只能部分变为功。能只能部分变为功。例:单摆,空气阻力使摆球逐渐停下来,但是整个系统(单摆和周例:单摆,空气阻力使摆球逐渐停下来,但是整个系统(单摆和周围的空气)没有损失任何能量,但是这一过程产生了热能,这个系围的空气)没有损失任何能量,但是这一过程产生了热能,这个系统不能恢复其初始状态。能量没有丢失,但是能量的品质降低了。统不能恢复其初始状态。能量没有丢失,但是能量的品质降低了。热学两大定律告诉我们,
6、能量的数量是守恒的,能量的品质热学两大定律告诉我们,能量的数量是守恒的,能量的品质不断降低。不断降低。第8页,本讲稿共35页能源动力系统的基础性研究第一代第一代:热力学第一定律为基础热力学第一定律为基础,热机利用能量做功热机利用能量做功,追求能量利用追求能量利用率率,不考虑总能中有多少用来对外做功不考虑总能中有多少用来对外做功.第二代第二代:热力学第二定律为基础热力学第二定律为基础,提出能量品质的新概念提出能量品质的新概念.热能是一热能是一种低品质的能量种低品质的能量.温度不同的热能温度不同的热能,温度越低温度越低,品质越低品质越低.第三代第三代:从全球环境问题和能量可持续出发从全球环境问题和
7、能量可持续出发,与高效与高效,洁净洁净,安全运行紧安全运行紧密结合密结合,全面发展总能的概念全面发展总能的概念,发明新的动力循环和总能系统发明新的动力循环和总能系统,研究研究它需要多学科的交叉它需要多学科的交叉.第9页,本讲稿共35页从微观的角度来看热现象从微观的角度来看热现象物质结构的基本图象物质结构的基本图象物质是由分子、原子等微观粒子组成物质是由分子、原子等微观粒子组成物质分子处于不停顿的无规则运动状态物质分子处于不停顿的无规则运动状态分子之间有相互作用分子之间有相互作用分子分子 原子原子 电子电子 原子核原子核 质子质子 中子中子 夸克夸克引力引力 斥力斥力布朗运动布朗运动布朗运动布朗
8、运动第10页,本讲稿共35页气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点1.1.宏观物体由大量分子、原子构成,宏观物体由大量分子、原子构成,有一定的间隙;有一定的间隙;2.2.分子永不停息地作无规则运动分子永不停息地作无规则运动 热运动热运动3.3.分子间有一定相互作用力。分子间有一定相互作用力。分子间分子间困难:如何求解数量级达困难:如何求解数量级达1023个力学方程个力学方程解决:统计方法解决:统计方法第11页,本讲稿共35页物质由大量的微观粒子组成,微观粒子都处在永不物质由大量的微观粒子组成,微观粒子都处在永不停息的无规则的热运动之中停息的无规则的热运动之中.单个粒子单个粒子力学规律,力学规
9、律,大量粒子的无规则热运动大量粒子的无规则热运动统计规律统计规律.统计规律性的基本概念统计规律性的基本概念第12页,本讲稿共35页统计规律统计规律伽尔顿板伽尔顿板.第13页,本讲稿共35页宏观量是相应微观量的统计平均值宏观量是相应微观量的统计平均值 气体压强公式气体压强公式T是大量分子热运动平均是大量分子热运动平均平动平动动能的量度。动能的量度。由此给出温度的统计意义:由此给出温度的统计意义:第14页,本讲稿共35页热力学概率热力学概率 自发过程的方向性从微观上看是大量分子无规运动的结果。自发过程的方向性从微观上看是大量分子无规运动的结果。a ab bc cd d左左 右右 分子数的左右分布称
10、为分子数的左右分布称为宏观态。宏观态。具体分子的左右具体分子的左右分布称为分布称为微微观态。观态。统计理论的基本假设是:统计理论的基本假设是:以气体自由膨胀为例分析。以气体自由膨胀为例分析。某宏观态所包含的微观态数某宏观态所包含的微观态数 叫该宏观态的叫该宏观态的热力学概率。热力学概率。对于孤对于孤立系统,各个立系统,各个微观态微观态出现的概率是相同的。出现的概率是相同的。热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释第15页,本讲稿共35页宏观态宏观态微观态微观态宏观态包括的微观态数宏观态包括的微观态数i概率概率abcd4 04 0abcda b cda b dca c dbb c da
11、3 1a b cdca b da c dbb c da 3 122a bc dc da ba cb da cb da db cb ca d第16页,本讲稿共35页0 01 12 23 34 45 56 6 左左 4 右右 0 左左 3 右右 1 左左 2 右右 2 左左 1 右右 3 左左 0 右右 4N 若若N=100,自动收缩(左自动收缩(左100,右,右0)N个分子,个分子,。若改变一次微观状态历时若改变一次微观状态历时10-9s,则所有微观状态则所有微观状态都经历一遍要都经历一遍要 。即即30万亿年中万亿年中(100,0)的状态的状态只闪现只闪现10-9s。的概率为的概率为10-30。
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