第5讲-热力学-熵与生命课件.ppt

1、5.1 热力学的基本概念热力学的基本概念5.2 热力学第一定律热力学第一定律5.3 循环过程卡诺循环循环过程卡诺循环 5.4 热力学第二定律热力学第二定律5.5 熵熵 熵增加原理熵增加原理5.6 熵与生命熵与生命第第5章章 热力学热力学 熵与生命熵与生命5.1 热力学的基本概念热力学的基本概念 5.1.1 准静态过程准静态过程 从初态到末态的从初态到末态的每一个中间状态都可每一个中间状态都可以近似地视为平衡态以近似地视为平衡态的过程的过程. 准静态过程是无准静态过程是无限缓慢过程的极限，限缓慢过程的极限，它是一个理想过程它是一个理想过程(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO 准静态过程

2、的过程曲线准静态过程的过程曲线可以用可以用p-V图来描述图来描述,图上图上的每一点分别表示系统的的每一点分别表示系统的一个平衡态一个平衡态. 5.1.2 功功VxSWdpdpd21dVVVpW结论：结论：功在数值上等于功在数值上等于过程曲线下面积。对外过程曲线下面积。对外做功为正。功与过程有做功为正。功与过程有关，并非状态函数。关，并非状态函数。(p2,V2,T2)(p1,V1,T1)pVOdVV1V25.1.3 热量热量系统之间由热相互作用而传递的能量。系统之间由热相互作用而传递的能量。热功当量：热功当量：1卡卡 = 4.186 焦耳焦耳5.1.4 内能内能)(TE理想气体内能：理想气体内能

3、： 理想气体的内能只与分子热运动的理想气体的内能只与分子热运动的动能有关，是温度的单值函数。动能有关，是温度的单值函数。TRiMmE2理想气体分子的自由度理想气体分子的自由度.双原子气体，如氢、氧、氮等双原子气体，如氢、氧、氮等五个自由度五个自由度单原子气体，如氦、氩等单原子气体，如氦、氩等三个自由度三个自由度六个自由度六个自由度多原子气体，如水蒸多原子气体，如水蒸汽、甲烷等汽、甲烷等例：例：1 mol 刚性双原子分子理想气体的内能为多少？刚性双原子分子理想气体的内能为多少？ RT25()p atmABCO123123例：如图所示为一定量的理例：如图所示为一定量的理想气体的想气体的pV图，由图

4、可得图，由图可得出结论出结论 ABCBATT BATT BATT （A）是等温过程；是等温过程； （C）（D）（B）例：有两个系统，分别装有可以看作理想气体的质量例：有两个系统，分别装有可以看作理想气体的质量相同的相同的H H2 2和和HeHe，两个系统内能相同，若装有，两个系统内能相同，若装有H H2 2的系统的系统的温度为的温度为300K300K，那么装有，那么装有HeHe的系统温度为的系统温度为。（1000K1000K） 5.2 热力学第一定律热力学第一定律 5.2.1 的数学描述的数学描述 外界对系统做功和外界对系统传递热量均使系外界对系统做功和外界对系统传递热量均使系统的内能增加统的

5、内能增加.能量的传递和转化应该服从能量守能量的传递和转化应该服从能量守恒定律，即恒定律，即WEEQ)(12状态的微小变化过程状态的微小变化过程WEQddd热力学第一定律热力学第一定律5.2.2 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用 1. 等体过程等体过程 气体的摩尔定体热容气体的摩尔定体热容0ddVpWETRiMmQVdd2d系统作功：系统作功：ETTRiMmQV)(212R2iCV定义：定义：摩尔定体热容摩尔定体热容2. 等压过程等压过程 气体的摩尔定压热容气体的摩尔定压热容)()(1212TTRMmVVpW)(212TTRiMmEWEQP21()2miRRTTM功：功：内能：内能：热量

6、：热量：问题：问题：1mol气体温度每升气体温度每升高高1k所需要的热量是多少？所需要的热量是多少？RRiCP2RCV摩尔定压热容与摩尔定体热容的关系：摩尔定压热容与摩尔定体热容的关系：迈耶公式迈耶公式 摩尔热容比（绝热系数）：摩尔热容比（绝热系数）：iiCCVp2定义摩尔定压热容：定义摩尔定压热容：RiCp123. 等温过程等温过程T = 恒量恒量，dE =0WQT2112lnlnd21ppRTMmVVRTMmVVRTMmWVV例题例题5-1 今有今有0.016kg的氧气，初始为标准状态，经历的氧气，初始为标准状态，经历下列各过程并吸收热量下列各过程并吸收热量300J，若过程（，若过程（1）

7、为等温过程，）为等温过程，求终态体积；（求终态体积；（2）为等体过程，求终态压强；）为等体过程，求终态压强； （3）为等压过程，求内能的变化为等压过程，求内能的变化. 例题例题 质量为质量为2.8 10-3kg, 压强为压强为1atm, 温度为温度为27的氮气的氮气. 先先在体积不变的情况下使其压强增至在体积不变的情况下使其压强增至3atm, 再经等温膨胀使再经等温膨胀使压强降至压强降至1atm, 然后又在等压过程中将体积压缩一半然后又在等压过程中将体积压缩一半. 试求试求氮气在全部过程中的内能变化、所做的功以及吸收的热量氮气在全部过程中的内能变化、所做的功以及吸收的热量,并画出并画出pV图图

8、.解解:atm1K30011pT331111046. 2mMpmRTVatm3m1046. 22332pVK9001122TppTV3V4Vp/atm132V11234333223m1038. 7pVpVK4503344TVVTatm1K90033pTatm134 pp3334m1069. 32VV等体过程等体过程:012WJ1248)(25121212TTRMmEQV3V4Vp/atm132V11234等温过程等温过程:J823ln2322323VVRTMmWQ023E等压过程等压过程:J374)(34334VVpWJ936)(253434TTRMmEJ1310343434EWQV3V4Vp

9、/atm132V11234例：对于室温下的双原子分子理想气体，在等压膨胀例：对于室温下的双原子分子理想气体，在等压膨胀的情况下，系统对外所作的功与从外界吸收的热量之的情况下，系统对外所作的功与从外界吸收的热量之比比W / Q 等于多少？等于多少？/2/7W Q ） 5.2.3 生命系统的能量交换和代谢生命系统的能量交换和代谢 生物体生物体EWQ变化速率变化速率外界外界开放开放能量的交换（传热、做功）能量的交换（传热、做功）物质交换（食物、废料）物质交换（食物、废料）假定环境温度恒定在时间假定环境温度恒定在时间 t 内，内，人体对外所做的功人体对外所做的功人体放出的热量人体放出的热量热力学第一定

10、律热力学第一定律tEtWtQ通过观察人把食物转通过观察人把食物转换为能量和废物时利换为能量和废物时利用氧的速率来测量。用氧的速率来测量。无论是睡眠还是活动，人体都在不停地消耗内能无论是睡眠还是活动，人体都在不停地消耗内能. 如食物在分解代谢过程中需要耗氧以葡萄糖为例如食物在分解代谢过程中需要耗氧以葡萄糖为例, 完完全氧化全氧化180g的葡萄糖需要的葡萄糖需要134.4L的氧的氧, 产生的热量为产生的热量为686kcal. 每升氧产生的热量是每升氧产生的热量是:686 134.45.1 kcal每克葡萄糖产生的热量为每克葡萄糖产生的热量为 一人以一人以100L/h的速率耗氧的速率耗氧, 由内能的

11、变化率可得由内能的变化率可得 686 1803.81 kcal111100 L h4.83 cal L483 kcal h 例：体重为例：体重为70kg 的的20岁的男性，静卧但醒着时耗岁的男性，静卧但醒着时耗能为能为1卡卡 = 4.186 焦耳焦耳cal1733779186. 4/606024702 . 1E表表5-2 E大部分直接转换为热量，其余的用来在体内做功。大部分直接转换为热量，其余的用来在体内做功。 在生物体内，食物不是直接被利用，而是转换成在生物体内，食物不是直接被利用，而是转换成像三磷酸腺甙（像三磷酸腺甙（di ）（）（ATP）.这种物质可以被各种这种物质可以被各种组织利用组织

12、利用.在这个转换中，大约在这个转换中，大约55%的内能以热的形式的内能以热的形式损失，其余的损失，其余的45%用来在体内器官中做内部的功使骨用来在体内器官中做内部的功使骨骼肌收缩而对外做功。骼肌收缩而对外做功。 例：一个例：一个65kg的人骑自行车，根据表的人骑自行车，根据表5-2的数据，的数据，可计算出他所消耗内能的速率为可计算出他所消耗内能的速率为骑了骑了4个小时，则消耗的内能为个小时，则消耗的内能为若消耗的能量来自体内脂肪，查表若消耗的能量来自体内脂肪，查表5-1中数据，可计中数据，可计算此期间用去的脂肪为算此期间用去的脂肪为思考题思考题5-2 65kg的人静坐一整天需要消耗多少内能？的

13、人静坐一整天需要消耗多少内能？比较骑车人，对大多数人来说，减少体重更为实际的比较骑车人，对大多数人来说，减少体重更为实际的方法是限制进食还是运动锻炼？方法是限制进食还是运动锻炼？5.3 5.3 循环过程卡诺循环循环过程卡诺循环 5.3.1 5.3.1 循环过程及其效率循环过程及其效率循环过程：循环过程：系统经历一系列的变化过程又回到初始状系统经历一系列的变化过程又回到初始状态的过程。态的过程。循环特征：循环特征：经历一个循环过程经历一个循环过程后，内能不变。后，内能不变。0E目的：目的：制造能连续进行热功转换的机器制造能连续进行热功转换的机器热机、制热机、制冷机冷机热机：获得有用功热机：获得有

14、用功吸热膨胀吸热膨胀0E21QQW1211QQQW蒸汽机的工作原蒸汽机的工作原理图：工作物质理图：工作物质从高温热源处从高温热源处（锅炉）吸收热（锅炉）吸收热量，通过涡轮机量，通过涡轮机对外做功，再在对外做功，再在低温热源处（冷低温热源处（冷凝器）放出热量，凝器）放出热量，经水泵回到原状经水泵回到原状态态.完成一次循环。完成一次循环。5.3.2 卡诺循环卡诺循环1211TTQW最理想的热机最理想的热机高温热源的温度越高温热源的温度越高，低温热源的温高，低温热源的温度越低，卡诺循环度越低，卡诺循环的效率越大的效率越大. 但热但热机的效率不可能达机的效率不可能达到到100%，那么最，那么最大效率到

15、底能达到大效率到底能达到多少？正是对这个多少？正是对这个问题的研究促成了问题的研究促成了热力学第二定律的热力学第二定律的建立建立.实际最高效率：实际最高效率：%36例例. .热电厂热电厂按卡诺循环计算：按卡诺循环计算：%5 .64580273302731 C 非卡诺循环、耗散（摩擦等）非卡诺循环、耗散（摩擦等）冷凝塔冷凝塔锅炉锅炉发电机发电机原因：原因：C CC C, , 3058021TT619.2 10JQ 17.4%例：例：1mol氦气经过图所示的氦气经过图所示的ABCDA循环。求：（循环。求：（1）在整个循环过程中气体吸收的热量和所做的功；在整个循环过程中气体吸收的热量和所做的功；(2

16、)热热机效率是多少？机效率是多少？热力学第一定律热力学第一定律 一切热力学过程都应满足能量守恒。一切热力学过程都应满足能量守恒。 热力学第二定律就是反映过程方向性的基本规律热力学第二定律就是反映过程方向性的基本规律 自然界一切与热现象有关的过程自然界一切与热现象有关的过程都具有方向性都具有方向性时间箭头时间箭头热力学定律与自然过程热力学定律与自然过程化学过程化学过程热传导过程热传导过程功变热过程功变热过程扩散过程扩散过程不可逆过程不可逆过程 热热刹车摩擦生热刹车摩擦生热.烘烤车轮，车不开烘烤车轮，车不开.1. 热传导过程热传导过程热量不能自动从热量不能自动从低低温温高高温温功热转换过程具方向性

17、功热转换过程具方向性热传导过程具有方向性热传导过程具有方向性2. 功热转换过程功热转换过程自然现象的不可逆自然现象的不可逆Q开尔文说开尔文说5.4 热力学第二定律热力学第二定律5.4.1 热力学第二定律的描述热力学第二定律的描述克劳修斯表述：不可能把热量从低温克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传给高温物体而不产生其他影响物体传给高温物体而不产生其他影响.开尔文开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量表述：不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用功而不产生其他影响使之完全变成有用功而不产生其他影响. 克劳修斯说克劳修斯说第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成. 可以证明可以证明热力学第二热力

18、学第二定律两种表定律两种表述的一致性述的一致性 热力学第二定律的实质在于指出热力学第二定律的实质在于指出, 一切与热现象有关的一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程实际宏观过程都是不可逆过程.2. 热力学第二定律指出了热传导方向性热力学第二定律指出了热传导方向性:高温高温自动自动低温低温低温低温非自动非自动高温高温 （外界做功）（外界做功）关键词关键词: “自动自动”即热量从低温物体传到高温物体不即热量从低温物体传到高温物体不能自发进行能自发进行, 不产生其他影响不产生其他影响.例例: 电冰箱电冰箱注意理解注意理解1. 热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到热力学第二定律并不意味

19、着热量不能从低温物体传到高温物体高温物体. 热力学第二定律指出热力学第二定律指出,一切与热现象有关的宏观实际过一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的程都是不可逆的,只能向着单一的方向进行只能向着单一的方向进行. 自古以来自古以来,人类就追求从物质结构的角度去认识和解释人类就追求从物质结构的角度去认识和解释自然现象自然现象,认为这是深刻认识自然现象本质的重要途径认为这是深刻认识自然现象本质的重要途径. 从微观角度看从微观角度看,此系统组织得较差此系统组织得较差.微观微观无序程度无序程度增加了增加了. 微观的无序程度必定增加与热能从高温流向低温的事实微观的无序程度必定增加与热能从高温流向低温的

20、事实等价等价. 此想法即热二定律的另一表述此想法即热二定律的另一表述. 理想气体自由膨胀不可逆性的微观解释理想气体自由膨胀不可逆性的微观解释真空真空2132138181 微观态出现概率相同微观态出现概率相同 包含微观态多的宏观态出现的概率大包含微观态多的宏观态出现的概率大 分子缩回左室的宏观态概率小分子缩回左室的宏观态概率小 分子均匀分布的宏观态概率大分子均匀分布的宏观态概率大823微观态数微观态数宏观态数宏观态数 43211233121233122318383气体自由膨胀气体自由膨胀1mol气体都在左室的概率气体都在左室的概率:0212310022. 6N 个分子都在左室的概率个分子都在左室

21、的概率:N21结论结论: 系统的自然过程是从概率系统的自然过程是从概率小的宏观态向概率大的宏观小的宏观态向概率大的宏观态演化态演化,也就是由也就是由“包含微观包含微观态数目少的宏观态态数目少的宏观态”向向“包包含微观态数目多的宏观态含微观态数目多的宏观态”演化演化.实际观察到的是均匀分布的概率最大的宏观态实际观察到的是均匀分布的概率最大的宏观态 热力学第二定律既然是涉及大量分子运动的无序性热力学第二定律既然是涉及大量分子运动的无序性变化的规律变化的规律, 因而它就是一条统计规律因而它就是一条统计规律. 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义统计规律的含义包含两点统计规律的含义包含两点

22、:1. 它只适用于包含大量分子的集体它只适用于包含大量分子的集体, 而不适用于只有少而不适用于只有少数分子的系统数分子的系统.2. 热力学第二定律并不像热力学第一定律那样严格不能热力学第二定律并不像热力学第一定律那样严格不能违反违反, 违背热力学第二定律的事情还是有可能发生违背热力学第二定律的事情还是有可能发生, 只只是概率非常小是概率非常小, 小到趋于零小到趋于零, 以至于忽略不计以至于忽略不计. “热二热二”定律的实质定律的实质: 一切与热现象有关的实际宏观过一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程程都是不可逆过程.5.5 熵熵 熵增加原理熵增加原理无序性增加无序性增加楼塌是一个从有序

23、到无序的过程楼塌是一个从有序到无序的过程引入一个概念：熵引入一个概念：熵描述系统状态的函数，描述系统状态的函数，S S。是。是系统无序性的量度。系统无序性的量度。结论：结论：热力学第二定律指出自发过程总是朝热力学第二定律指出自发过程总是朝熵增加熵增加的的方向进行，即朝无序的方向进行方向进行，即朝无序的方向进行.熵增加原理熵增加原理5.6 熵与生命熵与生命 5.6.1 生命的热力学基础生命的热力学基础热力学第二定律热力学第二定律:自发过程总是朝自发过程总是朝熵增熵增加的方向进行加的方向进行达尔文的进化论达尔文的进化论:进化的方向由简单到复杂，由低进化的方向由简单到复杂，由低级到高级级到高级朝有序

24、的方向发展朝有序的方向发展熵减熵减矛矛盾盾说说明明什什么么生物生物: 非孤立系非孤立系, 与外界有物质、能量交换与外界有物质、能量交换熵增原理条件熵增原理条件: 孤立系统孤立系统, 自发过程自发过程ieSSS系统自身产生的熵系统自身产生的熵, 总为正值总为正值.:iS与外界交换的熵流与外界交换的熵流, 其值可正其值可正 可负可负.:eS 生命系统是一个开放系统，其熵变可以分为两部生命系统是一个开放系统，其熵变可以分为两部分，即熵产生与熵交换。熵产生值总为正；熵交换可分，即熵产生与熵交换。熵产生值总为正；熵交换可为正值、负值或零为正值、负值或零. .两者之和决定了系统的总熵变两者之和决定了系统的

25、总熵变. . 1944 1944年，诺贝尔物理学奖得主薛定谔在其所发表年，诺贝尔物理学奖得主薛定谔在其所发表的专著的专著生命是什么？生命是什么？中指出：中指出：“一个生命有机体一个生命有机体在不断地增加它的熵在不断地增加它的熵你或者说在增加正熵你或者说在增加正熵并并趋于接近最大熵值的危险状态，那就是死亡趋于接近最大熵值的危险状态，那就是死亡. .要摆脱死要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法是从环境中不断吸取亡，就是说要活着，唯一的办法是从环境中不断吸取负熵，有机体是依赖负熵为生的负熵，有机体是依赖负熵为生的.”.”这就是生命的热力这就是生命的热力学基础。学基础。 生物体从外界吸收营养，排出废物

26、，就是吸收高度生物体从外界吸收营养，排出废物，就是吸收高度有序的低熵大分子物质（如蛋白质、淀粉等）而排出无有序的低熵大分子物质（如蛋白质、淀粉等）而排出无序高熵的小分子物质（如二氧化碳、尿、汗等），从而序高熵的小分子物质（如二氧化碳、尿、汗等），从而使生物体处于协调有序的状态，达到维持生命的目的使生物体处于协调有序的状态，达到维持生命的目的. .随着随着时间的推延，生物时间的推延，生物体慢慢失去从外界获取体慢慢失去从外界获取负熵、的能力而成为孤负熵、的能力而成为孤立系统。按照熵增加原立系统。按照熵增加原理，它最终将达到熵值理，它最终将达到熵值最大的平衡态，即混乱最大的平衡态，即混乱度最大、最无

27、序的状态度最大、最无序的状态. .按照达尔文的进化论，按照达尔文的进化论，这就是生命的终结这就是生命的终结. .KJ 1025433 .KW 107732 .W/K1059KW 1013. 18 食物 折合成每人每秒的需要为折合成每人每秒的需要为: 50亿人口计亿人口计,即即 小孩折合成成年人小孩折合成成年人6折折,那么全球人类食物需求的总负熵那么全球人类食物需求的总负熵流为流为: 相比光合熵流似乎小相比光合熵流似乎小2个数量级个数量级,但如考虑到生态等效率但如考虑到生态等效率,且森林中的光合作用大部分并不为人类直接生产食品且森林中的光合作用大部分并不为人类直接生产食品,等等等因素等因素.因此

28、听任人口无限制地膨胀下去因此听任人口无限制地膨胀下去,我们的我们的“地球村地球村”将承受不了日益沉重的人口负担将承受不了日益沉重的人口负担. 设每个成年人每天需摄入设每个成年人每天需摄入1公斤葡萄糖以维持生命公斤葡萄糖以维持生命,它含它含的负熵为的负熵为: 人类共同生存在一个地球上，自然资源和生存空人类共同生存在一个地球上，自然资源和生存空间都是有限的间都是有限的. .因此，人口是不能无限制增长的因此，人口是不能无限制增长的. . 我们经常说万物生长靠太阳我们经常说万物生长靠太阳. .相比热来说，阳光相比热来说，阳光是一种更加有序的能量，是一种负熵流是一种更加有序的能量，是一种负熵流. .人类

29、生命的人类生命的维持要依赖于足够的负熵维持要依赖于足够的负熵. .那么谁是负熵的制造者呢？那么谁是负熵的制造者呢？植物在生长发育过程中是离不开阳光的，而绿色植物植物在生长发育过程中是离不开阳光的，而绿色植物通过光合作用在不停的制造通过光合作用在不停的制造“负熵负熵”，因此，它们就，因此，它们就是是“负熵制造工厂负熵制造工厂”. .太阳持续不断地将光能辐射给太阳持续不断地将光能辐射给地球，逐渐演化出各种生物种群，并维持着绵绵生命地球，逐渐演化出各种生物种群，并维持着绵绵生命的繁衍的繁衍. .动物生命的维持，归根结底，其食料均来源动物生命的维持，归根结底，其食料均来源于植物，而植物储存的能量和给养又来自太阳的辐射于植物，而植物储存的能量和给养又来自太阳的辐射. .思考题思考题5-6 5-6 负熵是生命赖以生存的热力学基础，试负熵是生命赖以生存的热力学基础，试举例说明：举例说明： 为了提高生命质量，人类应如何改善自为了提高生命质量，人类应如何改善自己的生存环境己的生存环境P124