熱力學第二定律卡諾原理.ppt

1,熱力學第二定律卡諾原理,2,熱力學第一定律給出了各種形式的能量在相互轉化過程中必須遵循的規(guī)律，但并未限定過程進行的方向。,凡符合熱一律的過程-即符合能量守恒的過程是否都能實現呢？,實驗表明，自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都是有方向性的。,熱傳導過程,例如：氣體的絕熱自由膨脹過程。,這些典型例子說明自然界的實際過程是按一定的方向進行的，相反方向的過程不能自動發(fā)生，或者說，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。,前 言,3,熱力學第一定律無法對這類問題作出解釋，需要一個獨立于熱力學第一定律的新的自然規(guī)律，即熱力學第二定律來解釋。,不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產生其他影響。,功可以完全變熱，但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a生其它影響是不可能的。,1851年開爾文總結出熱力學過程進行的限度。,1.內容,1.開爾文表述,以熱機為例，熱機的循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫熱源傳給低溫熱源，即產生了其它效果。,4,熱全部變?yōu)楣Φ倪^程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但這時引起了其它的變化。,開爾文表述否定了熱機效率能達百分這百的可能性,高溫熱源T1,=0,第二類永動機（單熱機）不能制成。,第二類永動機,5,高溫熱源T1,低溫熱源T2,與之相應的經驗事實是，當兩個不同溫度的物體相互接觸時，熱量將自動地由高溫物體向低溫物體傳遞，而不可能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體。,如果借助制冷機，當然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價，也就是引起了其它變化。克氏表述指明熱傳導過程是有方向的。,2、克勞修斯表述,熱量不能自動地從低溫熱源傳到高溫熱源而不引起其它的變化。,6,1.從開爾文表述入手,假定單熱機是可以造成的，則,高溫源,低溫源,Q,3、兩種表述是統一的,2.從克勞修斯表述入手,假定熱量能自動地從低溫源傳到高溫源，則單熱機也能造成。,熱力學過程是有方向性的。,7,2.可逆過程與不可逆過程,為了進一步研究熱力學第二定律的含義和熱力學過程方向性問題，引入可逆過程的概念。,一個系統，由一個狀態(tài)出發(fā)經過某一過程達到另一狀態(tài)，如果存在另一個過程，它能使系統和外界完全復原（即系統回到原來狀態(tài)，同時消除了原過程對外界引起的一切影響）則原來的過程稱為可逆過程；,單擺運動：一個單擺，如果不受空氣阻力及其它摩擦力，當它離開某一位置后，經過一個周期又回到原來的位置而周圍一切都無變化。,反之，如果物體不能回復到原來狀態(tài)或當物體回復到原來狀態(tài)卻無法消除原過程對外界的影響，則原來的過程稱為不可逆過程。,無摩擦和阻力的單擺運動是一個可逆過程。,8,單純的無機械能耗散的機械運動過程都是可逆過程。,理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的。,在熱現象中，可逆過程只有在準靜態(tài)和無摩擦的條件下才有可能。無摩擦準靜態(tài)過程是可逆的。,經驗和事實表明，自然界中真實存在的過程都是按一定方向進行的，都是不可逆的。,理想氣體熱傳導過程是不可逆的。,可逆?zhèn)鳠岬臈l件是：系統和外界溫差無限小，即等溫熱傳導。,氣體的迅速膨脹過程是不可逆的。,但是當氣體膨脹非常緩慢又沒有其它摩擦時，它卻是可逆的。,9,結論：,1）一切自發(fā)過程都是不可逆過程。,2）準靜態(tài)過程（無限緩慢） +無摩擦的過程是可逆過程。,3）一切實際過程都是不可逆過程。,可逆過程是一種理想的極限，只能接近，絕不能真正達到。因為，實際過程都是以有限的速度進行，且在其中包含摩擦，粘滯，電阻等耗散因素，必然是不可逆的。,強調：不可逆過程不是不能逆向進行，而是說當過程逆向進行時，逆過程在外界留下的痕跡不能將原來正過程的痕跡完全消除。,10,熱力學第二定律說明了自然界的實際過程是按一定的方向進行的，是不可逆的，相反方向的過程不能自動發(fā)生，或者說，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。,開氏表述實質上在于說明功變熱的過程是不可逆的。,熱力學第二定律的實質在于指出：一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。它所揭示的客觀規(guī)律向人們指出了實際宏觀過程進行的條件和方向。,克氏表述實質上在于說明熱傳導過程是不可逆的。,11,不可逆過程的統計性質（以氣體自由膨脹為例）,下面從統計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認識第二定律的本質。,熱力學第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。,在熱力學中，序：區(qū)分度。,對于一個熱力學系統，如果處于非平衡態(tài)，我們認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認為它處于無序的狀態(tài)。,首先理解有序和無序的概念。,一個被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個涂以不同顏色分子。,3.熱力學第二定律的統計意義,熱力學第二定律的微觀意義,12,開始時，4個分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：,13,微觀態(tài)共有24=16種可能的方式，而且4個分子全部退回到A部的可能性即幾率為1/24=1/16。,一般來說，若有N個分子，則共2N種可能方式，而N個分子全部退回到A部的幾率1/2N。對于真實理想氣體系統N1023/mol，這些分子全部退回到A部的幾率為 。此數值極小，意味著此事件永遠不會發(fā)生。從任何實際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。,對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B部的過程原則上是可逆的。,對大量分子組成的宏觀系統來說，它們向B部自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統計解釋。,14,第二定律的統計表述（依然看前例）,4個分子在容器中的分布對應5種宏觀態(tài)。,左邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有幾個分子，代表的是系統可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，具體指明了這個或那個分子各處于A或B哪一邊，代表的是系統的任意一個微觀態(tài)。,一種宏觀態(tài)對應若干種微觀態(tài)。,不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數不同。,均勻分布對應的微觀態(tài)數最多。 全部退回A邊僅對應一種微觀態(tài)。,15,統計物理基本假定等幾率原理：對于孤立系，各種微觀態(tài)出現的可能性（或幾率）是相等的。,各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數多，這種宏觀態(tài)出現的可能性就大。,定義熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數稱為熱力學幾率。記為 。,在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。,所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統最后所達到的平衡態(tài)。,對于1023個分子組成的宏觀系統來說，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學幾率的總和相比，此比值幾乎或實際上為100%。,16,對整個宇宙不適用。,如布朗運動。,平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下 最大的狀態(tài)。,熱力學第二定律的統計表述：孤立系統內部所發(fā)生的過程總是從包含微觀態(tài)數少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。,自然過程總是向著使系統熱力學幾率增大的方向進行。,4.熱力學第二定律的適用范圍,注意：微觀狀態(tài)數最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀態(tài)。,一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。,1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，,2）孤立系統有限范圍。,17,卡諾循環(huán)是一個理想的準靜態(tài)循環(huán)，是可逆循環(huán)。它由兩條等溫線和兩條絕熱線組成的循環(huán)。,卡諾在研究熱機循環(huán)效率時，提出了卡諾定理。,內容：,（2）在兩個給定（不同）溫度的熱源之間工作的兩類熱機，不可逆熱機的效率不可能大于可逆熱機的效率。,（1）相同高溫熱源（T1）和低溫熱源（T2） 之間工作的一切可逆機，不論用什么工作 物質 ，其效率都相等。且為：,18,由卡諾定理知：,任意熱機的效率：,A代表任意，R代表可逆。當A為可逆熱機時，取“=”； 當A為不可逆熱機時取“” 。,任意(arbitrary)可逆熱機的效率都等于以理想氣體為工質的卡諾熱機的效率：,19,可逆熱機R和不可逆熱機I運行于熱源TH和TL之間（圖a），與TH交換的熱量相等，皆為QH ，但與TL交換的熱量分別為QL和QL。對外作功分別為: AR=QH-QL AI=QH-QL,假設： I R ，即 AI AR,如圖(b)所示，令R 逆向循環(huán)成為制冷機，并將I 對外作功一部分AR驅動這部制冷機工作，而剩下的一部分AI-AR輸出。,欲證：,二者如此聯合工作的效果是：高溫熱源TH恢復原狀，只是從低溫熱源TL吸收熱量QL-