大學(xué)物理——熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、熱力學(xué)基礎(chǔ) 熱力學(xué)是從能量的觀點(diǎn)來研究與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的各種自然現(xiàn)象的宏觀規(guī)律的理論。它的研究方法與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)不同，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而將物質(zhì)視為連續(xù)體，從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，找出物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)的關(guān)系，得出宏觀過程進(jìn)行的方向及性質(zhì)。具有高度的普適性與可靠性。本章主要介紹熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熵的概念,揭示熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀特性和微觀本質(zhì)之間的聯(lián)系.熱力學(xué)系統(tǒng)：大量微觀粒子分子、原子等組成的宏觀物體。外界：熱力學(xué)系統(tǒng)以外的物體。 系統(tǒng)分類按系統(tǒng)與外界交換特點(diǎn)：孤立系統(tǒng)：與外界既無能量又無物質(zhì)交換封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無物質(zhì)交換開放系統(tǒng)：與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換5-1 熱力

2、學(xué)第一定律當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)在外界影響下，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的變化過程，稱為熱力學(xué)過程，簡(jiǎn)稱過程。一、準(zhǔn)靜態(tài)過程例：推進(jìn)活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體時(shí)，氣 體的體積，密度，溫 度 或壓強(qiáng)都將變化，在過 程中的任意時(shí)刻，氣體 各局部的密度， 壓強(qiáng)， 溫度都不完全相同。pV圖上，一點(diǎn)代表一個(gè)平衡態(tài)，一條連續(xù)曲線代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。這條曲線的方程稱為過程方程。準(zhǔn)靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)經(jīng)歷的所有中間態(tài)都無限接近于一個(gè)平衡態(tài)的過程。非靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)，過程中所有中間態(tài)為非平衡態(tài)的過程。二、內(nèi)能、功和熱量熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能：所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間勢(shì)能的總和。理想氣體系統(tǒng)的內(nèi)能是

3、狀態(tài)量,是熱力系狀態(tài)的單值函數(shù)。 內(nèi)能的改變只決定于初、末狀態(tài)而與所經(jīng)歷的過程無關(guān)。理想氣體的內(nèi)能就是理想氣體的熱能.準(zhǔn)靜態(tài)過程的功當(dāng)活塞移動(dòng)微小位移dx時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外界所作的元功為：系統(tǒng)體積由V1變?yōu)閂2，系統(tǒng)對(duì)外界作總功為：系統(tǒng)對(duì)外作正功；系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功；系統(tǒng)不作功。 比較 a , b下的面積可知，功的數(shù)值不僅與初態(tài)和末態(tài)有關(guān)，而且還依賴于所經(jīng)歷的中間狀態(tài)，功與過程的路徑有關(guān)。 功是過程量由積分意義可知，功的大小等于pV 圖上過程曲線p(V)下的面積。熱量 在熱傳遞過程中,系統(tǒng)吸收或放出能量的多少。 熱量是過程量1mol物質(zhì)升高1K所吸收的熱量。摩爾熱容摩爾物質(zhì)吸收的熱量摩爾熱容Cm為過程量

4、定壓摩爾熱容定容摩爾熱容三、熱力學(xué)第一定律某一過程，系統(tǒng)從外界吸熱 Q，對(duì)外界做功 W，系統(tǒng)內(nèi)能從初始態(tài) E1變?yōu)?E2，那么由能量守恒：Q0，系統(tǒng)吸收熱量；Q0，系統(tǒng)對(duì)外作正功；W0，系統(tǒng)內(nèi)能增加；E0,系統(tǒng)內(nèi)能減少。規(guī)定對(duì)無限小過程對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)過程，如果系統(tǒng)對(duì)外作功是通過體積的變化來實(shí)現(xiàn)的，那么熱力學(xué)第一定律另一表述：制造第一類永動(dòng)機(jī)(能對(duì)外不斷自動(dòng)作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的機(jī)器)是不可能的。5-2 熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用1.等容過程V=恒量，dV=0，dW=pdV=0，T2T1pV0ab那么定容摩爾熱容為一、四個(gè)根本過程2. 等壓過程p=恒量12pOV2V1V

5、 等壓過程中系統(tǒng)吸收的熱量一局部用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能，一局部用來對(duì)外做功。邁耶公式絕熱系數(shù) 在等壓過程，溫度升高1度時(shí)，1mol理想氣體多吸收8.31J的熱量，用來轉(zhuǎn)換為膨脹時(shí)對(duì)外做功。定壓摩爾熱容為3. 等溫過程T=恒量，dT=0，dE=0。pVp1p2IIIOV2V1 等溫過程中系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功，系統(tǒng)內(nèi)能保持不變。4. 絕熱過程系統(tǒng)不與外界交換熱量的過程。 絕熱過程中系統(tǒng)對(duì)外做功全部是以系統(tǒng)內(nèi)能減少為代價(jià)的。pVp1p2IIIOV2V1由熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得絕熱方程泊松方程pVp1p2IIIOV2V1絕熱過程的功氣體絕熱自由膨脹氣體真空Q=0， W=0，E=

6、0氣體溫度升高?降低?還是不變?理想氣體再次到達(dá)平衡態(tài)時(shí)溫度復(fù)原,但此過程不是等溫過程!氣體絕熱自由膨脹氣體真空Q=0， W=0，E=0實(shí)際氣體再次到達(dá)平衡態(tài)時(shí)溫度一般不會(huì)復(fù)原!實(shí)際氣體內(nèi)能=分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能+分子間勢(shì)能假設(shè)過程中分子平均力以斥力為主, 溫度升高!斥力做正功,勢(shì)能減小,內(nèi)能不變,動(dòng)能增加.假設(shè)過程中分子平均力以引力為主, 溫度降低!引力做負(fù)功,勢(shì)能增加,內(nèi)能不變,動(dòng)能減小.絕熱線與等溫線比較絕熱線等溫線等溫絕熱絕熱線比等溫線更陡。等容過程等壓過程等溫過程絕熱過程例:1mol單原子理想氣體,由狀態(tài)a(p1,V1)先等壓加熱至體積增大一倍，再等容加熱至壓強(qiáng)增大一倍，最后再經(jīng)絕熱膨脹，

7、使其溫度降至初始溫度。試求： (1)狀態(tài)d的體積Vd；(2)整個(gè)過程對(duì)外所作的功;(3)整個(gè)過程吸收的熱量。解： (1)根據(jù)題意根據(jù)物態(tài)方程oVp2p1p1V12V1abcd根據(jù)絕熱方程(2)先求各分過程的功oVp2p1p1V12V1abcd(3)計(jì)算整個(gè)過程吸收的總熱量有兩種方法方法一：根據(jù)整個(gè)過程吸收的總熱量等于各分過程吸收熱量的和。oVp2p1p1V12V1abcd方法二：對(duì)abcd整個(gè)過程應(yīng)用熱力學(xué)第一定律：oVp2p1p1V12V1abcd 系統(tǒng)經(jīng)歷一系列變化后又回到初始狀態(tài)的整個(gè)過程叫循環(huán)過程，簡(jiǎn)稱循環(huán)。循環(huán)工作的物質(zhì)稱為工作物質(zhì)，簡(jiǎn)稱工質(zhì)。循環(huán)過程的特點(diǎn)：E=0假設(shè)循環(huán)的每一階段

8、都是準(zhǔn)靜態(tài)過程，那么此循環(huán)可用p-V 圖上的一條閉合曲線表示。pVabcd沿順時(shí)針方向進(jìn)行的循環(huán)稱為正循環(huán)。沿逆時(shí)針方向進(jìn)行的循環(huán)稱為逆循環(huán)。二、循環(huán)過程1.循環(huán)過程的特點(diǎn)正循環(huán)工質(zhì)在整個(gè)循環(huán)過程中對(duì)外作的凈功W等于曲線所包圍的面積。整個(gè)循環(huán)過程工質(zhì)從外界吸收熱量的總和為Q1放給外界的熱量總和為Q2(取絕對(duì)值)正循環(huán)過程是將吸收的熱量中的一局部Q凈轉(zhuǎn)化為有用功，另一局部Q2放回給外界。W逆循環(huán)工質(zhì)在整個(gè)循環(huán)過程中對(duì)外作的凈功W等于曲線所包圍的面積。整個(gè)循環(huán)過程工質(zhì)放給外界的熱量的總和為Q1(取絕對(duì)值)，從外界吸收熱量總和為Q2W熱機(jī)性能的標(biāo)志之一是效率。熱機(jī):通過工質(zhì)使熱量不斷轉(zhuǎn)換為功的機(jī)器。

9、2.熱機(jī)效率熱機(jī)效率W3.制冷系數(shù)制冷系數(shù)工質(zhì)把從低溫?zé)嵩次盏臒崃亢屯饨鐚?duì)它所作的功以熱量的形式傳給高溫?zé)嵩?，其結(jié)果可使低溫?zé)嵩吹臏囟雀?，到達(dá)制冷的目的。吸熱越多，外界作功越少，說明制冷機(jī)效能越好。W制冷機(jī)：獲得低溫的裝置。熱機(jī)效率制冷系數(shù)4. 卡諾循環(huán)由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程所組成的循環(huán)稱之為卡諾循環(huán)。高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2工質(zhì)卡諾熱機(jī)12：與溫度為T1的高溫?zé)嵩唇佑|，T1不變， 體積由V1膨脹到V2，從熱源吸收熱量為:23：絕熱膨脹，體積由V2變到V3，吸熱為零。34：與溫度為T2的低溫?zé)嵩唇佑|,T2不變，體積由V3壓縮到V4，從熱源放熱為:41：絕熱壓縮，體積由V4變到V1，吸

10、熱為零。對(duì)絕熱線23和41：說明：1完成一次卡諾循環(huán)必須有溫度一定的高溫 和低溫?zé)嵩础?卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源溫度有關(guān)。3卡諾循環(huán)效率總小于1。4在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的工作的 一切熱機(jī)中，卡諾循環(huán)的效率最高。現(xiàn)代熱電廠水蒸氣溫度5800C, 冷凝水溫度約300C理論實(shí)際卡諾制冷機(jī) 逆向卡諾循環(huán)反映了制冷機(jī)的工作原理，其能流圖如下圖。工質(zhì)把從低溫?zé)嵩次盏臒崃縌2和外界對(duì)它所作的功W以熱量的形式傳給高溫?zé)嵩碤1.高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2工質(zhì)制冷系數(shù)利用液體或氣體燃料在汽缸內(nèi)直接燃燒獲得熱量而對(duì)活塞做功。內(nèi)燃機(jī)5.實(shí)際熱機(jī)和制冷機(jī)空氣標(biāo)準(zhǔn)奧托循環(huán)的效率ab：絕熱壓縮bc：等容吸熱cd：

11、絕熱膨脹da：等容放熱C-毛細(xì)節(jié)流閥 B-冷凝器 D-冷庫 E-壓縮機(jī) 電冰箱冷庫蒸發(fā)器把熱量由低溫物體抽到高溫物體的裝置。熱泵工作原理：與制冷機(jī)相同。工作系數(shù)冬天的空調(diào)器就是一種熱泵。假設(shè)熱泵的工作系數(shù)為5，說明電動(dòng)機(jī)做1焦耳的功，通過熱泵就可以向室內(nèi)供給5焦耳的熱量，比直接用電熱只能得到1焦耳的熱量經(jīng)濟(jì)多了。例 1mol氧氣作如下圖的循環(huán).求循環(huán)效率.解:QpVpV000等溫abc02VQQcaabbc一、可逆過程和不可逆過程可逆過程: 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中,如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài),而不引起其他變化.不可逆過程: 在不引起其他變化的條件下 , 不能使逆過程重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，或

12、者雖然重復(fù)但必然會(huì)引起其他變化.注意：不可逆過程不是不能逆向進(jìn)行，而是說當(dāng)過程逆向進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)和外界不能同時(shí)完全復(fù)原。5-3 熱力學(xué)第二定律功熱轉(zhuǎn)換 功變熱是自動(dòng)地進(jìn)行的。 功熱轉(zhuǎn)換的過程是有方向性的。熱傳導(dǎo) 熱量是自動(dòng)地從高溫物體傳到低溫物體。 熱傳遞過程是有方向性的。氣體的絕熱自由膨脹 氣體自動(dòng)地向真空膨脹。 氣體自由膨脹過程是有方向性的。一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過程都是不可逆的。可逆過程是理想化的過程。開爾文表述不可能從單一熱源吸取熱量，并使之完全變成有用的功而不引起其他變化。等價(jià)表述：第二類永動(dòng)機(jī)從單一熱源吸熱并全部變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。二、熱力學(xué)第二定律1. 熱力學(xué)第二定律的表述

13、 克勞修斯表述熱量不可能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體。總之熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是說明一切自發(fā)過程都是不可逆的。它是說明熱力學(xué)過程的方向、條件和限制的。2.兩種表述的一致性高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)存在怎樣的差異?假設(shè)A中裝有a、b、c、d 4個(gè)分子用四種顏色標(biāo)記。開始時(shí)，4個(gè)分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無規(guī)那么運(yùn)動(dòng)。3. 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義分布(宏觀態(tài))詳細(xì)分布(微觀態(tài))A4B0宏觀態(tài) 微觀態(tài)數(shù) 1 A3B1宏觀態(tài) 微觀態(tài)數(shù)4A2B2宏觀態(tài)微觀態(tài)數(shù) 6A1B3宏觀態(tài)微觀態(tài)數(shù) 4A0B4宏觀態(tài)微觀態(tài)數(shù) 14個(gè)粒子的分布情

14、況,總共有16=24個(gè)微觀態(tài)。統(tǒng)計(jì)理論的一個(gè)根本假設(shè)： 對(duì)于孤立系，各個(gè)微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性概率是相同的。A4B0 -微觀態(tài)數(shù) 1 A3B1 - 微觀態(tài)數(shù)4A2B2 - 微觀態(tài)數(shù) 6A1B3 - 微觀態(tài)數(shù) 4A0B4 - 微觀態(tài)數(shù) 1A4B0和A0B4, 微觀態(tài)各為1，幾率各為1/16;A3B1和A1B3, 微觀態(tài)各為4，幾率各為4/16，A2B2， 微觀態(tài)為6，幾率最大為6/16。20個(gè)分子的位置分布宏 觀 狀 態(tài)一種宏觀狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)左20 右0左18 右2左15 右5左11 右9左10 右10左9 右11左5 右15左2 右18左0 右2011901550416796018476516

15、7960155041901 假設(shè)系統(tǒng)分子數(shù)為N，那么總微觀態(tài)數(shù)為2N，N個(gè)分子自動(dòng)退回A室的幾率為1/2N。 1mol氣體的分子自由膨脹后，所有分子退回到A室的幾率為意味著此事件觀察不到。分子均勻分布的宏觀態(tài)平衡態(tài)是分子運(yùn)動(dòng)最無序、最混亂的狀態(tài)，分子全部集中在一室的宏觀態(tài)是分子運(yùn)動(dòng)最有序的狀態(tài)。實(shí)際觀測(cè)到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所到達(dá)的平衡態(tài)。熱力學(xué)概率(熱力學(xué)幾率) 宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)，用W表示。平衡態(tài)對(duì)應(yīng)于一定宏觀條件下 W 最大的狀態(tài)。熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義: 自然界實(shí)際過程實(shí)質(zhì)上是從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)進(jìn)行；或者說從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)多的宏觀態(tài)進(jìn)行；或者

16、說從熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行。(2)在相同的上下溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率不可能大于可逆熱機(jī)的效率。(1)在相同高溫?zé)嵩?T1)和低溫?zé)嵩?T2) 之間工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都等于卡諾熱機(jī)的效率,與工作物質(zhì)無關(guān)。三、 卡諾定理引入態(tài)函數(shù)熵熵的微觀意義是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無序性的量度。熵具有可加性玻耳茲曼熵系統(tǒng)熵值越大、系統(tǒng)越加無序，越加混亂，平衡態(tài)對(duì)應(yīng)的是最無序、最混亂的狀態(tài)。5-4 熵及熵增加原理一、玻耳茲曼熵(統(tǒng)計(jì)熵) 熵變熵增S只取決于初、終態(tài)的熵值，而與所經(jīng)歷的過程無關(guān)。一孤立系統(tǒng)經(jīng)歷不可逆過程 ， 孤立系統(tǒng)內(nèi)不管進(jìn)行什么過程，系統(tǒng)的熵不會(huì)減少，即熵增加

17、原理。二、熵增加原理經(jīng)歷可逆過程，那么W2 =W1，S=0三、克勞修斯熵(熱力學(xué)熵)由卡諾定理表達(dá)式便有若恢復(fù)工質(zhì)吸熱為正,放熱為負(fù),則pV對(duì)任意可逆循環(huán)對(duì)于任意一個(gè)可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個(gè)卡諾循環(huán)組成，相鄰兩個(gè)卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，方向相反，互相抵消。當(dāng)卡諾循環(huán)數(shù)無限增加時(shí)，鋸齒形過程曲線無限接近于用藍(lán)色線表示的可逆循環(huán)。任一可逆循環(huán)，用一系列微小可逆卡諾循環(huán)代替。每一 可逆卡諾循環(huán)都有：Qi1Qi2Ti1Ti2絕熱線等溫線pV對(duì)任意可逆循環(huán)所有可逆卡諾循環(huán)加一起：分割無限?。嚎藙谛匏沟仁綄?duì)任意不可逆循環(huán)：克勞修斯不等式任意兩點(diǎn)A和B，連兩條路徑 1 和 2對(duì)于一個(gè)可逆過程, 只決定

18、于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，而與過程無關(guān),于是可以引入一個(gè)只決定于系統(tǒng)狀態(tài)的態(tài)函數(shù).狀態(tài)函數(shù) S，熵終態(tài)及初態(tài)系統(tǒng)的熵對(duì)于微小過程克勞修斯熵克勞修斯熵對(duì)于不可逆過程：對(duì)于一個(gè)絕熱系統(tǒng)或孤立系統(tǒng) ，則有：熱力學(xué)根本方程理解熵的概念及熵增原理時(shí)要注意： 1. 熵是態(tài)函數(shù)。熵變和過程無關(guān)，它只決定于系統(tǒng)的始末狀態(tài)。 2. 對(duì)于非絕熱或非孤立系統(tǒng)，熵有可能增加，也有可能減少。四、克勞修斯熵與玻耳茲曼熵的等價(jià)關(guān)系給出某狀態(tài)熵的絕對(duì)值只給出了從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過程中熵的變化對(duì)非平衡態(tài)也有意義玻耳茲曼熵更有意義只對(duì)系統(tǒng)的平衡態(tài)有意義是系統(tǒng)平衡態(tài)的函數(shù)克勞修斯熵玻耳茲曼熵克勞修斯熵與玻耳茲曼熵的等價(jià)關(guān)系設(shè)有理

19、想氣體，自由膨脹（V2 , T）從(V1 , T)不可逆過程玻耳茲曼熵變膨脹前后熱力學(xué)概率之比為分子在體積V內(nèi)的位置分布的熱力學(xué)概率W熵是態(tài)函數(shù)，熵變與過程無關(guān)?？捎玫葴乜赡孢^程計(jì)算過程熵變?？藙谛匏轨刈儾６澛刈儍烧哂?jì)算結(jié)果相同自由膨脹（V2 , T）從(V1 , T)不可逆過程五、熵的計(jì)算1. 對(duì)于可逆過程熵變可用下式進(jìn)行計(jì)算 2. 如果過程是不可逆的不能直接應(yīng)用上式。 由于熵是一個(gè)態(tài)函數(shù)，熵變和過程無關(guān)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)始末狀態(tài)相同的可逆過程來代替，然后再應(yīng)用上式進(jìn)行熵變的計(jì)算。例：1mol理想氣體的狀態(tài)變化如下圖。其中1-3為等溫線，1-4為絕熱線。試分別由以下三種過程計(jì)算氣體的熵的變化

20、S= S3- S1:(1)1-2-3;(2)1-3;(3)1-4-3.oVp4V1V2123oVp4V1V2123例：由絕熱壁構(gòu)成的容器中間用導(dǎo)熱隔板分成兩局部，如下圖，體積均為V，各盛1mol同種理想氣體。開始時(shí)A部溫度為TA，B部溫度為TB(TA)。經(jīng)足夠長時(shí)間兩局部氣體到達(dá)共同的熱平衡溫度T=(TA+TB)/2。試計(jì)算此熱傳導(dǎo)過程初、末兩態(tài)的熵差。解：該過程是不可逆過程系統(tǒng)總熵變等于子系統(tǒng)熵變和熵變?nèi)Q于子系統(tǒng)的初、末狀態(tài)。子系統(tǒng)體積保持不變，可用可逆等容過程代替該不可逆過程計(jì)算熵變。六、能量退降熱傳導(dǎo) 兩個(gè)物體A和B，溫度分別為TA和TB，接觸后發(fā)生熱傳導(dǎo)，熱量dQ由A傳到B。 利用熱

21、量dQ轉(zhuǎn)變成功 以TA和T0作為高、低溫?zé)嵩?，?jīng)卡諾機(jī)吸取熱量，那么對(duì)外作功 B獲得熱量后，利用此熱量在TB和T0兩熱源，此卡諾機(jī)對(duì)外作功 經(jīng)熱傳導(dǎo)后，有一局部能量不能用來作功，即系統(tǒng)中有局部?jī)?nèi)能喪失了做功的能力。退化能系統(tǒng)熵變退化能與不可逆過程的熵變成正比。理想氣體絕熱自由膨脹mol理想氣體退降能量退化能與不可逆過程的熵變成正比。熵變是能量退化的量度。 不可逆過程在能量利用上的后果總是使一定的能量從能做功的形式變?yōu)椴荒茏龉Φ男问?，即成了“退降的能量，大小和不可逆過程所引起的熵的增加成正比。 自然界的一切過程中能量在不斷地退化，即正在不斷地變成不能用來做功的無用能，這是熵增的必然結(jié)果。能量退化

22、原理能量的品質(zhì)品質(zhì)高能 量引力能電勢(shì)能機(jī)械動(dòng)能核能太陽能化學(xué)能地?zé)崮苡钪嫖⒉ū尘拜椛淠艿湍芰科焚|(zhì)降低的過程可自發(fā)進(jìn)行，而能量品質(zhì)升高的過程不可自發(fā)進(jìn)行，必須有補(bǔ)償才能進(jìn)行。5-5 信息熵一、信息熵作為該事件不確定程度的量度(缺乏信息量度)1.若一個(gè)事件有W個(gè)等可能性的結(jié)局，每個(gè)結(jié)局出現(xiàn)的幾率定義信息，包括用語言、文字、符號(hào)或圖像所傳遞或交流著的所有知識(shí)，還包括五官所感覺到的一切。信息熵可能狀態(tài)出現(xiàn)概率信息熵(香農(nóng)熵)2.假設(shè)一個(gè)事件的W個(gè)結(jié)局出現(xiàn)的時(shí)機(jī)不相等該事件信息熵的加權(quán)平均值例:計(jì)算猜?lián)淇伺频男畔㈧?如果某人給出無任何信息的面朝下的一張撲克牌, 那么:如果給出撲克牌是一張“A, 那么:信

23、息熵信息熵如果又被告知撲克牌是一張黑桃“A, 那么:信息熵隨著掌握的信息逐漸增多，信息的不確定度減少, 因而信息熵變小.二、信息量信息量有兩種含義:(1)對(duì)事物全然無知(信息熵最大) 到有所知,絕對(duì)地獲得了多少信息量(用I表示).(2)從掌握了一定素材、已提煉出一定量信息,到掌握更多素材、提煉出更多信息,在兩步之間相對(duì)地獲得了多少信息量(用I,稱為信息增量).信息論定律:一個(gè)體系的信息量與信息熵之和保持恒定, 并等于該體系在恒定條件下所能達(dá)到的最多信息量 或最大信息熵例:猜?lián)淇伺?知道是一張“A開始知道是黑桃“A信息量的增量等于信息熵的減少.信息的信息量為收到信息前后，信息熵為信息熵S的減少事

24、件不確定性的減少信息量的增加信息熵是負(fù)熵5-6 耗散結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介熱力學(xué)第一定律能量守恒,無論如何轉(zhuǎn)換,人類取之不盡,用之不竭.熱力學(xué)第二定律不可逆過程總要或多或少降低能量品質(zhì),使能量退降.克勞修斯的“熱寂說宇宙的開展最終走向一個(gè)除了分子熱運(yùn)動(dòng)以外沒有任何宏觀差異和宏觀運(yùn)動(dòng)的死寂狀態(tài).孤立系統(tǒng)且偏離平衡態(tài)不遠(yuǎn)一、自組織現(xiàn)象兩類有序結(jié)構(gòu)分子水平上定義的有序,并且可以在孤立的環(huán)境中和在平衡的條件下維持,不需要和外界環(huán)境進(jìn)行任何物質(zhì)和能量的交換.呈現(xiàn)出宏觀范圍的時(shí)空有序,只有在非平衡條件下通過與外界環(huán)境的物質(zhì)和能量的交換才能維持.耗散結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)有序生物體的有序1.生命過程的自組織現(xiàn)象 一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部由無序變?yōu)橛行蚴蛊渲写罅糠肿影匆欢ǖ囊?guī)律運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象。生物體處于開放的和遠(yuǎn)離平衡態(tài)在各級(jí)水平上都呈現(xiàn)有序現(xiàn)象 (花朵、動(dòng)物皮毛呈現(xiàn)規(guī)那么圖案)時(shí)間上的有序表現(xiàn)在生物過程隨時(shí)間周期性變化 (生物鐘)生物進(jìn)化中充滿了各種由無序到有序的開展和變化貝納德對(duì)流把戲?qū)α饔行颥F(xiàn)象2.無生命