w9-4-可逆和不可逆过程--卡诺定理-热二律的统计意义解析课件.ppt

1、J.E克劳修斯克劳修斯(1822-1888)热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质1.可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程定义：定义：设系统经历设系统经历BA 过程过程:AB且且外外界界复复原原若若能能使使系系统统为可逆过程为可逆过程BA AB若无法使系统若无法使系统时时外外界界不不能能复复原原或或AB为不可逆过程为不可逆过程BA 例：例：理想气体等温膨胀的可逆性分析理想气体等温膨胀的可逆性分析 无摩擦，准静态进行无摩擦，准静态进行 有摩擦，准静态进行有摩擦，准静态进行 无摩擦，非静态进行无摩擦，非静态进行可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程 卡诺定理卡诺定理 无摩擦，准静态进行无摩

2、擦，准静态进行正向：正向：21VV 0ln1211VVRTMQA逆向：逆向：12VV 0ln2122VVRTMQA总效果：总效果：021 AA021QQ外界与系统均复原外界与系统均复原原过程为可逆过程原过程为可逆过程mmTT有摩擦，准静态进行有摩擦，准静态进行正向：正向：21VV fAAQ11（体积功）体积功）（摩擦功）摩擦功）fAVVRTM12ln(0)(0)mTff0221fAQQ逆向：逆向：12VV fAAQ12fAVVRTM21ln(0)mTff由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不产由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不产生其它影响，外界不能复原。生其它影响，外界不能复原

3、。原过程不可逆原过程不可逆造成不可逆的原因：造成不可逆的原因：存在摩擦存在摩擦总效果总效果系统复原系统复原 恒温热源：恒温热源：0221fAQQ转变为外界的内能转变为外界的内能 无摩擦，非静态进行无摩擦，非静态进行正向（快提）正向（快提）1211lnd21VVRTMVPAQVVmT总效果：总效果：02121AAQQ外界做功：外界做功：12AA 得热：得热：12QQ 由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生其它影响，即外界不能复原。产生其它影响，即外界不能复原。原原过过程程不不可可逆逆造成不可逆的原因：造成不可逆的原因：快速进行，非静态过程。快

4、速进行，非静态过程。逆向（快压）逆向（快压）1222lnd12VVRTMVPAQVVmT不不可可逆逆原原因因摩擦（能量耗散）摩擦（能量耗散）快速（非静态）快速（非静态）只有无摩擦的准静态过程是可逆过程只有无摩擦的准静态过程是可逆过程可逆过程是对准静态过程的进一步理想化可逆过程是对准静态过程的进一步理想化练习：练习：判断下列说法的正误判断下列说法的正误 可逆过程一定是准静态过程可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程准静态过程不一定是可逆过程 不可逆过程不一定非静态不可逆过程不一定非静态 非静态过程一定不可逆非静态过程一定不可逆卡诺循环是理想的可逆循环卡诺循环是理想的可逆循环不计摩擦

5、、漏气不计摩擦、漏气准静态进行准静态进行2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律功功自发自发热热100%转换转换热热非自发非自发功功不能不能 100%转换转换开尔文表述：开尔文表述：热热转转换换不不可可逆逆功功 克劳修斯表述：克劳修斯表述：热传导不可逆热传导不可逆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）溶解、扩散、生命溶解、扩散、生命 一切与热现象有关的宏观实一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性。际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性。单向性：

6、单向性：什么方向？什么方向？功：功：与宏观定向运动相联系，有序运动与宏观定向运动相联系，有序运动热：热：与分子无规则运动相联系与分子无规则运动相联系自自动动非非自自动动 热传导热传导 高温高温低温低温T差别差别无序性无序性自动自动低温低温高温高温T差别差别无序性无序性非自动非自动单向性：单向性：无序性增大的方向无序性增大的方向实际自发热力学过程都向无序性增大实际自发热力学过程都向无序性增大的方向进行的方向进行从微观角度讨论无序性的意义从微观角度讨论无序性的意义自由膨胀自由膨胀 体积体积可能位置可能位置无序性无序性自动自动体积体积可能位置可能位置无序性无序性非自动非自动真空真空1.无序性的量度无

7、序性的量度热力学概率热力学概率以理想气体自由膨胀为例以理想气体自由膨胀为例设分子数：设分子数：4dcba,真空真空abcd抽去隔板后的可能情况如下表：抽去隔板后的可能情况如下表：热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义16种微观态，种微观态，5种宏观态。种宏观态。:mol1个个微微观观态态都都拍拍成成照照片片将将AN2每秒放映每秒放映1亿张，（普通电影亿张，（普通电影 24/秒）秒）宇宙年龄宇宙年龄放映时间需放映时间需s10(s101810223理想气体自由膨胀理想气体自由膨胀分子数分子数可能微观态数可能微观态数宏观态数宏观态数 每种微观态出现概率每种微观态出现概率234N231002

8、.6223242N2231002.62345221321421N21231002.621等概率原理等概率原理：系统的每种微观态出现的概率相同。系统的每种微观态出现的概率相同。由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。定义：定义：宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的热力学概率热力学概率意义：意义：该宏观态所包含的微观态数越多，确定该宏观态所包含的微观态数越多，确定系统的微观态越困难，系统无序性越高。系统的微观态越困难，系统无序性越高。热力学概率是系统无序程度的量度热力学概率是系统无序程度的量度,越越大大比较

9、：比较：统计学概率统计学概率 w 与热力学概率与热力学概率比较：统计学概率比较：统计学概率 w 与热力学概率与热力学概率 宏观态出现的概率宏观态出现的概率 W=每种微观态出现的概率每种微观态出现的概率 w 热力学概率热力学概率wW w，W：小于小于1；大于大于1:最最概概然然状状态态取取最最大大值值的的宏宏观观态态W 由等概率原理：由等概率原理：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实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加的方向进行。热力学概率（无序性）增加的方向进行。无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是

10、发无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。生的可能性趋于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤的故事的故事)热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。比较：比较：热力学第一定律：热力学第一定律：严格成立，不能违反严格成立，不能违反热力学第二定律：热力学第二定律：统计规律，违反的概率太小统计规律，违反的概率太小对大量的分子体系适用对大量的分子体系适用练习：练习：热力学第二定律的典型思想方法：热力学第二定律的典

11、型思想方法：反证法反证法1.证明两条绝热线不相交证明两条绝热线不相交设两个绝热线交于设两个绝热线交于 B，可作一等温线与两条绝热线可作一等温线与两条绝热线构成一循环，形成单热源热构成一循环，形成单热源热机，违反热力学第二定律。机，违反热力学第二定律。原假设不成立，两绝热线原假设不成立，两绝热线不能相交。不能相交。pVo0Q0QCT A2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点例三例三 卡诺定理证明卡诺定理证明2)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的效率。切不可逆热机

12、，其效率不可能大于可逆热机的效率。1)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其效率相等，与工作物质无关。可逆热机，其效率相等，与工作物质无关。设等温线与绝热线有两个设等温线与绝热线有两个交点，则形成单热源热机，交点，则形成单热源热机，违反热力学的二定律。违反热力学的二定律。CT 0QpoVA卡诺定理卡诺定理:121TT=：对应可逆机；对应可逆机；：对应不可逆机：对应不可逆机 循环中高温热源的最高温度；循环中高温热源的最高温度；循环中低温热源的最低温度；循环中低温热源的最低温度；:1T:2T热机效率的极限：热机效率的极限：121TT提高热机效率的途径：提高热机效率的途径：尽量提高两热源的温差；尽量提高两热源的温差；尽量减少不可逆因素。尽量减少不可逆因素。