熱力學(xué)第二定律微觀解釋ppt課件

.,熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,.,一個(gè)“妖精”，神通廣大，能跟蹤充滿容器的每個(gè)氣體分子的運(yùn)動(dòng)。把這個(gè)容器用一道隔板分為A，B兩部分，并在隔板上安裝一個(gè)閥門，當(dāng)閥門打開(kāi)時(shí)單個(gè)氣體分子可以從容器的一部分經(jīng)過(guò)閥門進(jìn)入另一部分去。,假設(shè)這個(gè)容器開(kāi)始時(shí)完全充滿了一定溫度的氣體，按照熱的動(dòng)力論，一定的溫度對(duì)應(yīng)于分子的一定的平均溫度，因?yàn)闅怏w分子的運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性質(zhì)，有的分子的速度將大于平均值，有的則將小于平均值。妖精在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候打開(kāi)閥門，讓快的分子從B進(jìn)入A，慢的分子從A進(jìn)入B，結(jié)果不須消耗能量，B部分的溫度就下降，A部分的溫度就上升，熱量可以自發(fā)地從低溫物體流向高溫物體。,.,一般的解釋是：妖精必須得到一些“知識(shí)”，才能把“快”分子和“慢”分子區(qū)分開(kāi)來(lái)。為了獲得這些信息，要不要消耗能量？如果需要，則容器、氣體、隔板、妖精作為封閉系統(tǒng)，為得到所要信息所需的能量，將不大于因利用這一信息而消耗的能量，并沒(méi)有違反熱力學(xué)第二定律。,麥克斯韋的妖精能破壞熱力學(xué)第二定律嗎？,.,自發(fā)過(guò)程總是從有序到無(wú)序演化,但是麥克斯韋的妖精可以使其向有序化發(fā)展，酶，就是生命中的麥克斯韋的妖精；而人類全體作為麥克斯韋的妖精，增加著社會(huì)的有序度。畢竟，“妖精”，用通俗的話說(shuō)，是個(gè)生物，也是個(gè)信息系統(tǒng)，“妖精”就是對(duì)宇宙演化的一種抗?fàn)帯?.,熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,.,熱力學(xué)第一定律給出了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中必須遵循的規(guī)律，但并未限定過(guò)程進(jìn)行的方向。,凡符合熱一律的過(guò)程-即符合能量守恒的過(guò)程是否都能實(shí)現(xiàn)呢？,實(shí)驗(yàn)表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是有方向性的。,熱傳導(dǎo)過(guò)程,例如：氣體的絕熱自由膨脹過(guò)程。,這些典型例子說(shuō)明自然界的實(shí)際過(guò)程是按一定的方向進(jìn)行的，相反方向的過(guò)程不能自動(dòng)發(fā)生，或者說(shuō)，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。,.,熱力學(xué)第一定律無(wú)法對(duì)這類問(wèn)題作出解釋，需要一個(gè)獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的新的自然規(guī)律，即熱力學(xué)第二定律來(lái)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(chǎn)生其他影響。,功可以完全變熱，但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的。,1851年開(kāi)爾文總結(jié)出熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行的限度。,1.開(kāi)爾文表述,以熱機(jī)為例，熱機(jī)的循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩矗串a(chǎn)生了其它效果。,.,熱全部變?yōu)楣Φ倪^(guò)程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但這時(shí)引起了其它的變化。,開(kāi)爾文表述否定了熱機(jī)效率能達(dá)百分這百的可能性,高溫?zé)嵩碩1,=0,第二類永動(dòng)機(jī)（單熱機(jī)）不能制成。,第二類永動(dòng)機(jī),.,高溫?zé)嵩碩1,低溫?zé)嵩碩2,與之相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是，當(dāng)兩個(gè)不同溫度的物體相互接觸時(shí)，熱量將自動(dòng)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(jī)，當(dāng)然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價(jià)，也就是引起了其它變化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過(guò)程是有方向的。,2、克勞修斯表述,熱量不能自動(dòng)地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌淖兓?.,1.從開(kāi)爾文表述入手,假定單熱機(jī)是可以造成的，則,高溫源,低溫源,Q,3、兩種表述是統(tǒng)一的,2.從克勞修斯表述入手,假定熱量能自動(dòng)地從低溫源傳到高溫源，則單熱機(jī)也能造成。,熱力學(xué)過(guò)程是有方向性的。,.,2.可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程,為了進(jìn)一步研究熱力學(xué)第二定律的含義和熱力學(xué)過(guò)程方向性問(wèn)題，引入可逆過(guò)程的概念。,一個(gè)系統(tǒng)，由一個(gè)狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一個(gè)過(guò)程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原（即系統(tǒng)回到原來(lái)狀態(tài)，同時(shí)消除了原過(guò)程對(duì)外界引起的一切影響）則原來(lái)的過(guò)程稱為可逆過(guò)程；,單擺運(yùn)動(dòng)：一個(gè)單擺，如果不受空氣阻力及其它摩擦力，當(dāng)它離開(kāi)某一位置后，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期又回到原來(lái)的位置而周圍一切都無(wú)變化。,反之，如果物體不能回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)或當(dāng)物體回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)卻無(wú)法消除原過(guò)程對(duì)外界的影響，則原來(lái)的過(guò)程稱為不可逆過(guò)程。,無(wú)摩擦和阻力的單擺運(yùn)動(dòng)是一個(gè)可逆過(guò)程。,.,單純的無(wú)機(jī)械能耗散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程都是可逆過(guò)程。,理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的。在隔板被抽去的瞬間，氣體聚集在左半部，這是一種非平衡態(tài)，此后氣體將自動(dòng)膨脹充滿整個(gè)容器。最后達(dá)到平衡態(tài)。其反過(guò)程由平衡態(tài)回到非平衡態(tài)的過(guò)程不可能自動(dòng)發(fā)生。,在熱現(xiàn)象中，可逆過(guò)程只有在準(zhǔn)靜態(tài)和無(wú)摩擦的條件下才有可能。無(wú)摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆的。,經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)表明，自然界中真實(shí)存在的過(guò)程都是按一定方向進(jìn)行的，都是不可逆的。,理想氣體熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆的。熱量總是自動(dòng)地由高溫物體傳向低溫物體，從而使兩物體溫度相同，達(dá)到熱平衡。從未發(fā)現(xiàn)其反過(guò)程，使兩物體溫差增大。,.,可逆?zhèn)鳠岬臈l件是：系統(tǒng)和外界溫差無(wú)限小，即等溫?zé)醾鲗?dǎo)。,氣體的迅速膨脹過(guò)程是不可逆的。,但是當(dāng)氣體膨脹非常緩慢又沒(méi)有其它摩擦?xí)r，它卻是可逆的。,結(jié)論：,1）一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程。,2）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（無(wú)限緩慢）+無(wú)摩擦的過(guò)程是可逆過(guò)程。,3）一切實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程。,可逆過(guò)程是一種理想的極限，只能接近，絕不能真正達(dá)到。因?yàn)椋瑢?shí)際過(guò)程都是以有限的速度進(jìn)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。,.,可逆過(guò)程是理想化的過(guò)程。,強(qiáng)調(diào)：不可逆過(guò)程不是不能逆向進(jìn)行，而是說(shuō)當(dāng)過(guò)程逆向進(jìn)行時(shí)，逆過(guò)程在外界留下的痕跡不能將原來(lái)正過(guò)程的痕跡完全消除。,熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了自然界的實(shí)際過(guò)程是按一定的方向進(jìn)行的，是不可逆的，相反方向的過(guò)程不能自動(dòng)發(fā)生，或者說(shuō)，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。,開(kāi)氏表述實(shí)質(zhì)上在于說(shuō)明功變熱的過(guò)程是不可逆的。,熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的。它所揭示的客觀規(guī)律向人們指出了實(shí)際宏觀過(guò)程進(jìn)行的條件和方向。,克氏表述實(shí)質(zhì)上在于說(shuō)明熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆的。,.,1.有序和無(wú)序,有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。,無(wú)序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無(wú)序。,無(wú)序意味著各處都一樣，平均、沒(méi)有差別，有序則相反。,有序和無(wú)序是相對(duì)的。,2.宏觀態(tài)和微觀態(tài),宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。,微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。,系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向性從有序到無(wú)序。,3.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義,.,不可逆過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例）,一個(gè)被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個(gè)涂以不同顏色分子，下圖是分布情況。,.,17,第二定律的統(tǒng)計(jì)表述（依然看前例）,4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)5種宏觀態(tài)。,各種分布的狀態(tài)總數(shù),分布的可能狀態(tài)數(shù),分布幾率,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,.,熵與熱力學(xué)概率玻耳茲曼關(guān)系式,熱力學(xué)概率（微觀狀態(tài)數(shù)）、無(wú)序度、混亂度.,分布幾率,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,“熵”(用S表示)是德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，他用熵來(lái)表示任何一種能量在空間分布的均勻程度。,玻耳茲曼證明了熵S與微觀態(tài)數(shù)目（分布幾率）之間的關(guān)系，普朗克把它寫(xiě)成,熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。,.,熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序(混亂)程度的定量量度。,S=Kln,從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。,在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小,熵增加原理,熵與熵增加原理,.,對(duì)整個(gè)宇宙不適用。,平衡態(tài):相應(yīng)于一定宏觀條件下最大的狀態(tài)。最平均、最無(wú)序、最混亂。,熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過(guò)程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過(guò)渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過(guò)渡。,自然過(guò)程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。,4.熱力學(xué)第二定律的適用范圍,一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。,1）適用于宏觀過(guò)程對(duì)微觀過(guò)程不適用，,2）孤立系統(tǒng)有限范圍。,可逆過(guò)程：熵不變，實(shí)際不存在，如等溫過(guò)程，實(shí)際不存在不可逆過(guò)程：熵增加,.,.,.,.,24,耗散結(jié)構(gòu),（1）宇宙真的正在走向死亡嗎？實(shí)際宇宙萬(wàn)物，宇宙發(fā)展充滿了無(wú)序到有序的發(fā)展變化.,（2）生命過(guò)程的自組織現(xiàn)象生物體的生長(zhǎng)和物種進(jìn)化是從無(wú)序到有序的發(fā)展.,.,25,（3）無(wú)生命世界的自組織現(xiàn)象云、雪花、太陽(yáng)系、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、熱對(duì)流、激光等.,（和外界有能量交換和物質(zhì)交換的系統(tǒng)叫開(kāi)放系統(tǒng)）,（4）開(kāi)放系統(tǒng)的熵變,開(kāi)放系統(tǒng)熵的變化,.,有效能量告罄時(shí)，是“熱寂”死寂的熱平衡狀態(tài)。有效物質(zhì)耗盡時(shí)，是一片“物質(zhì)混亂”整個(gè)宇宙的大混亂和大混沌。物理學(xué)家們認(rèn)為，熵定律是物質(zhì)世界的最終定律，人類參與的每一項(xiàng)物質(zhì)活動(dòng)都受到熱力學(xué)第一、第二定律的嚴(yán)密制約；但是，他們又認(rèn)為熵定律只涉及物質(zhì)世界，只控制時(shí)空的橫向世界，人類的精神世界并不受熵定律的專制統(tǒng)治！所以，生命的現(xiàn)象是宇宙洪流中的一股逆流！人類精神的無(wú)限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長(zhǎng)河中的一條逆流之舟！,.,1電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說(shuō)明了A熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C熱量的傳導(dǎo)過(guò)程不具有方向性D在自發(fā)地條件下熱量的傳導(dǎo)過(guò)程具有方向性,BD,.,2.一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？,解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。,.,3.下面關(guān)于熵的說(shuō)法錯(cuò)誤的是A熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度B在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過(guò)程總是向熵減少的方向進(jìn)行C熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又叫熵增加原理D熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序,精與解熱力學(xué)第二定律提示：一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過(guò)程是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，氣缸內(nèi)燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功燃?xì)夥肿幼饔行蜻\(yùn)動(dòng)，排出氣缸后作越來(lái)越無(wú)序的運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)中用熵來(lái)描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性程度。熱力學(xué)第二定律用熵可表述為：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，也就是說(shuō)，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過(guò)程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。,B,.,4.關(guān)于有序和無(wú)序下列說(shuō)法正確的是（）A有序和無(wú)序不是絕對(duì)的B一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D無(wú)序意味著各處一樣、平均、沒(méi)有差別,ABD,5.根據(jù)熱力學(xué)第二定律判斷，下列說(shuō)法正確的是（）A內(nèi)能可以自發(fā)的轉(zhuǎn)變成機(jī)械能B擴(kuò)散的過(guò)程完全可逆的C火力發(fā)電時(shí)，燃燒物質(zhì)的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為電能D熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體,CD,.,6.倒一杯熱水，然后加入適當(dāng)?shù)奶呛?，糖?huì)全部溶于水中，但一段時(shí)間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個(gè)過(guò)程下列敘述正確的是（）A溶解過(guò)程是自發(fā)的，結(jié)晶過(guò)程也是自發(fā)的，因此熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)誤的B溶解過(guò)程是有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變的過(guò)程C結(jié)晶過(guò)程是有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變的過(guò)程D結(jié)晶過(guò)程不是自發(fā)的，因?yàn)橛型饨绲挠绊?BD,7.下列說(shuō)法正確的是()A如果大量分子的集合從A分布進(jìn)入B分布的概率大于從B分布進(jìn)入A分布，則B分布更無(wú)序B如果大量分子的集合從A分布進(jìn)入B分布的概率大于從B分布進(jìn)入A分布，則A分布更無(wú)序C大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進(jìn)入B分布，則該過(guò)程是可逆的D大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進(jìn)入B分布，則該過(guò)程是不可逆的,AD,.,8.一個(gè)密閉的容器內(nèi)有稀薄氣體，在容器上開(kāi)一個(gè)小口，外部的空氣就會(huì)流入容器，在氣體流入過(guò)程中，容器內(nèi)靠近開(kāi)口處的空氣密度暫時(shí)變得比內(nèi)部大，以下說(shuō)法正確的是（）A此時(shí)容器內(nèi)氣體處于一個(gè)不平衡狀態(tài)，是一個(gè)最無(wú)序的狀態(tài)B外界的影響破壞了容器內(nèi)氣體的平衡C上面事實(shí)說(shuō)明熱力學(xué)第二定律只適用于封閉系統(tǒng)D對(duì)一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)并不一定是最無(wú)序的分布,BCD,.,9.下列說(shuō)法正確的是（）A熱力學(xué)第二定律只在一定前提條件下才能成立B熱力學(xué)第二定律揭示了一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行C能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性D熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性,ABCD,10.從微觀角度看（）A熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展C一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)越多，越是無(wú)序，熵值越大D出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大,ACD,.,11.下列說(shuō)法正確的是（）A與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過(guò)程是有方向性的B與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過(guò)程是熵增加的過(guò)程C氣體擴(kuò)散現(xiàn)象向著無(wú)序性增加的方向進(jìn)行,是可逆過(guò)程D機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程是系統(tǒng)的熵增加的過(guò)程,ABD,.,10.6能源和可持續(xù)發(fā)展,第十章熱力學(xué)定律,.,問(wèn)題：根據(jù)能量守恒定律，能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中能量的總量保持不變。為什么還要節(jié)約能源？,一、能量耗散和品質(zhì)降低根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中有方向性，使能量由高品質(zhì)變成低品質(zhì)，由便于利用變成不