热力学基础2hipeak课件.pptx
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1、热力学过程的方向性热力学过程的方向性m(1)热功转换过程具有方向性。)热功转换过程具有方向性。通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的。通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的。(热不能(热不能自动自动转化为功)转化为功)(2)热传导的方向性)热传导的方向性高温高温低温低温自动自动热量是自动地从高温物体传到低温物体。热量是自动地从高温物体传到低温物体。(热不能热不能自动自动从低温物体传到高温物体)从低温物体传到高温物体)。(3)气体自由膨胀过程是有方向性的。)气体自由膨胀过程是有方向性的。密度大密度大密度小密度小密度大密度大密度小密度小气体气体自动自动地向真空膨胀,而不能地向真空膨胀,而不能自动自动退回退
2、回到膨胀前的容器中去。到膨胀前的容器中去。注意注意:这里的方向性,是指它们存在一个自动的、:这里的方向性,是指它们存在一个自动的、无条件的、自发的、勿须外界帮助而进行无条件的、自发的、勿须外界帮助而进行 的方向。而不是其反方向不能实现,只是的方向。而不是其反方向不能实现,只是 实现其反方向过程要产生实现其反方向过程要产生“对外影响对外影响”。满足热力学第一定律的过程满足热力学第一定律的过程未必都能实现。未必都能实现。对于实际过程是否能发生及沿什么方向进对于实际过程是否能发生及沿什么方向进行,需要用到一个新的自然规律,即热力学行,需要用到一个新的自然规律,即热力学第二定律。第二定律。一、一、开尔
3、文表述(开尔文表述(1851 1851 英国):英国):不可能制成一种不可能制成一种循环动作循环动作的热机,只从的热机,只从单单一热源一热源吸取热量完全变成有用的功吸取热量完全变成有用的功,而而不产生不产生其他影响。其他影响。(从提高热机效率的角度考虑)从提高热机效率的角度考虑)QAAQ2Q1QA 7 76 6 热力学第二定律热力学第二定律 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单单一热源吸热作功,一热源吸热作功,而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但但它它非循环非循环过程过程.12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoWETQ W低温热源低温热源2T高温热源高温热源1T卡
4、诺热机卡诺热机1Q2QWVop2TW1TABCD21TT 卡诺循卡诺循环是循环环是循环过程,但过程,但需两个热需两个热源,且使源,且使外界发生外界发生变化变化.永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图第一类永动机第一类永动机:不需要消耗外界提供的能量而不断对:不需要消耗外界提供的能量而不断对外作功的热机。外作功的热机。违反热力学第一定律。违反热力学第一定律。第二类永动机第二类永动机:从单一热源吸热,全部用:从单一热源吸热,全部用来对外作功的热机。来对外作功的热机。虽然不违反热力学第一定律,但违反热力虽然不违反热力学第一定律,但违反热力学第二定律。学第二定律。(例如将海水温度降低(例如将海水温度
5、降低1用于发电?)用于发电?)&我们不能因噎废食。利用海表与海底的我们不能因噎废食。利用海表与海底的温度差来发电温度差来发电是可行的。是可行的。利用余热来发电也是可行的。利用余热来发电也是可行的。只要使海水的温度只要使海水的温度降低降低0.01K,可使全世界,可使全世界所有机器工作所有机器工作1000多年多年 热量不可能热量不可能自动地自动地从低温物体传从低温物体传到高温物体。而到高温物体。而不产生其他影响。不产生其他影响。(从提高致冷机效率的角度)(从提高致冷机效率的角度)QQ2Q1AQ二、克劳修斯表述二、克劳修斯表述(1850 1850 德国):德国):高温热源高温热源T1低温热源低温热源
6、T2Q2Q21QQQ 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T21Q2Q21QQQ 两种表述的一致性两种表述的一致性2Q高温热源高温热源T1低温热源低温热源T21Q2Q21QAQ A高温热源高温热源T1低温热源低温热源T221QAQ A三、可逆过程和不可逆过程三、可逆过程和不可逆过程 在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过程能重如果逆过程能重复正过程的每一状态复正过程的每一状态,而而不引起其他变化不引起其他变化.条件条件:过程无限缓慢过程无限缓慢,没有能量耗散。没有能量耗散。1 1、可逆过程、可逆过程 :在在不引起其他变化不引起其他变化的条件下的条件下,不能使逆不能使逆过程重复正过程
7、的每一状态;或者虽然重过程重复正过程的每一状态;或者虽然重复但必然会引起其他变化。复但必然会引起其他变化。2 2、不可逆过程、不可逆过程:例例1)不计阻力的单摆运动)不计阻力的单摆运动单纯的无耗散的机械运动是可逆过程。单纯的无耗散的机械运动是可逆过程。例例2)功、热的转换)功、热的转换-非可逆过程非可逆过程高温热源高温热源低温热源低温热源热机热机A1Q而热转变为功将产生对外而热转变为功将产生对外影响影响-向低温热源传递热向低温热源传递热量。量。功变热可以百分之百,功变热可以百分之百,2Q例例3)气体在真空中的自由膨胀。)气体在真空中的自由膨胀。密度大密度大密度小密度小要收缩到原状需外界作功。要
8、收缩到原状需外界作功。A无摩擦准静态过程是可逆的。无摩擦准静态过程是可逆的。卡诺循环是可逆循环。卡诺循环是可逆循环。可逆过程是一种理想的模型,只能接近,可逆过程是一种理想的模型,只能接近,绝不能真正达到。绝不能真正达到。3、热力学第二定律的实质:、热力学第二定律的实质:热功转换过程的不可逆性。热功转换过程的不可逆性。AQ2Q1QA完全完全功功不不完全完全热热无序无序有序有序自发自发 从微观看,功转变为热的过程是有序运从微观看,功转变为热的过程是有序运动状态向无序的微观状态数很大的方向进行动状态向无序的微观状态数很大的方向进行热传导过程不可逆性。热传导过程不可逆性。QQ2Q1A热力学第二定律的实
9、质:热力学第二定律的实质:一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。非非自发自发传热传热自发自发传热传热高温高温物体物体低温低温物体物体非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发 从微观看,热传导过程是无序程度小的从微观看,热传导过程是无序程度小的状态向无序程度大的方向进行状态向无序程度大的方向进行7-7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵一、热力学第二定律的统计意义一、热力学第二定律的统计意义 一切自然过程总是沿着无序性一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。增大的方向进行。二、热力学概率与玻尔兹曼熵二
10、、热力学概率与玻尔兹曼熵1 1、热力学概率:、热力学概率:AB14641微观态数共微观态数共 24 种种分布分布(宏观态)(宏观态)详细分布详细分布(微观态)(微观态)微观态数微观态数 4 4个分子全部退回到左侧或右侧的可能个分子全部退回到左侧或右侧的可能性为性为 若系统分子数为若系统分子数为N N,则总微观态数为,则总微观态数为2 2N N,N N个分子自动退回左侧或右侧的几率个分子自动退回左侧或右侧的几率为为1/21/2N N,N N很大时,几乎是不可能的。很大时,几乎是不可能的。1/21/24 4=1/16=1/16实际的气体分子数很大。如一摩尔的气体就实际的气体分子数很大。如一摩尔的气
11、体就有有N0=6.022 1023个分子。个分子。热力学概率热力学概率 宏观态所对应的微观态数,用宏观态所对应的微观态数,用 表示。表示。若一摩尔气体作自由膨胀,所有分子都回到若一摩尔气体作自由膨胀,所有分子都回到一边去的几率只有一边去的几率只有1/02N个微观状态均拍成照片,然后像放电影一样个微观状态均拍成照片,然后像放电影一样放出来,每秒放一亿张(放出来,每秒放一亿张(108),还要放:),还要放:02N02N/108 02N秒秒 这个时间比宇宙的年龄这个时间比宇宙的年龄1018秒秒还要大得多。可见所有分子都回到一边去是不可还要大得多。可见所有分子都回到一边去是不可能的。即自由膨胀是不可逆
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