2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽熵增加原理 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義 課件

1、熵增加原理 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義 孤立系統(tǒng)：與外界既不交換物質(zhì)也不交換能量的系統(tǒng)叫孤立系統(tǒng)。 熵增加原理：在孤立系統(tǒng)中發(fā)生的任何不可逆過(guò)程，都導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)熵的增加，系統(tǒng)的熵只有在可逆過(guò)程中才是不變的。 如可逆絕熱過(guò)程是一個(gè)等熵過(guò)程，絕熱自由膨脹是一個(gè)熵增加的過(guò)程。熵增加原理 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義一、熵增加原理熵增加原理的數(shù)學(xué)描述 以上兩式的等號(hào)均用于可逆過(guò)程，而不等號(hào)則用于不可逆過(guò)程。 若系統(tǒng)經(jīng)歷絕熱過(guò)程，則因 ，而有 一個(gè)不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程，總是由概率小的狀態(tài)向概率大的狀態(tài)進(jìn)行，由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行，這是熱力學(xué)第二定律

2、的統(tǒng)計(jì)意義。 如氣體的絕熱自由膨脹、熱量從高溫物體向低溫物體的自發(fā)傳遞、熱功轉(zhuǎn)換等過(guò)程。數(shù)學(xué)描述: 系統(tǒng)某一狀態(tài)的熵值越大， 它所對(duì)應(yīng)的宏觀狀態(tài)越無(wú)序。孤立系統(tǒng)總是傾向于熵值最大。二、 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義例題6-8 今有1kg ，0C的冰融化成0C 的水，求其熵變（設(shè)冰的融解熱為3.35105J/kg)。解:在這個(gè)過(guò)程中，溫度保持不變，即T=273K，計(jì)算時(shí)設(shè)冰從0C 的恒溫?zé)嵩粗形鼰?，過(guò)程是可逆的，則 在實(shí)際融解過(guò)程中，冰須從高于0C的環(huán)境中吸熱。冰增加的熵超過(guò)環(huán)境損失的熵，所以，若將系統(tǒng)和環(huán)境作為一個(gè)整體來(lái)看，在這過(guò)程中熵也是增加的. 如讓這個(gè)過(guò)程反向進(jìn)行，使水結(jié)成冰，將要向低于0C

3、的環(huán)境放熱。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，同樣導(dǎo)致熵的增加.例題6-9 有一熱容為C1、溫度為T(mén)1的固體與熱容為C2、溫度為T(mén)2的液體共置于一絕熱容器內(nèi)。 （1）試求平衡建立后，系統(tǒng)最后的溫度； （2）試確定系統(tǒng)總的熵變。由此得解:因能量守恒要求一物體喪失的熱量等于另一物體獲得的熱量；設(shè)最后溫度為 ，則有我們求得總的熵變?yōu)? （2）對(duì)于無(wú)限小的變化來(lái)說(shuō),dQ=CdT.設(shè)固體的升溫過(guò)程是可逆的,設(shè)想液體的降溫過(guò)程也是可逆的 能量不僅有形式上的不同，而且還有質(zhì)的差別。機(jī)械能和電磁能是可以被全部利用的有序能量，而內(nèi)能是不能全部轉(zhuǎn)化的無(wú)序能量。熵增加意味著系統(tǒng)能量中成為不可用能量的程度在增大，這叫做能量的退化。 熵

4、與能都是狀態(tài)函數(shù)，兩者關(guān)系密切，而意義完全不同?！澳堋边@一概念是從正面量度運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化能力的，能愈大，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的能力愈大；熵卻是從反面，即運(yùn)動(dòng)不能轉(zhuǎn)化的一面量度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的能力，熵愈大，系統(tǒng)的能量中不再可供利用的部分就越多，所以熵表示系統(tǒng)內(nèi)部能量的“退化”或“貶值”，即熵是能量不可利用程度的量度。*三、 熵增與能量退化物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題的三條基本規(guī)律： (1)物質(zhì)守恒定律 物質(zhì)可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但它既不能產(chǎn)生，也不能消滅 (2)能量守恒定律普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律是大家所熟悉的，對(duì)一個(gè)孤立系統(tǒng)，其總能量是一個(gè)恒量力學(xué)中的機(jī)械能守恒定律、流體力學(xué)中的伯努利方程、熱學(xué)中的熱力學(xué)第一定律

5、、電學(xué)中的基爾霍夫第一定律、量子物理中的愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程等，都是能量守恒定律在不同物理過(guò)程中的具體表現(xiàn)可逆過(guò)程：系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中,逆過(guò)程能重復(fù)正過(guò)程的每一個(gè)狀態(tài),且不引起其他變化的過(guò)程。 在熱力學(xué)中，過(guò)程可逆與否與系統(tǒng)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)是否為平衡狀態(tài)有關(guān)。 實(shí)現(xiàn)的條件:過(guò)程無(wú)限緩慢,沒(méi)有耗散力作功。不可逆過(guò)程：在不引起其它變化的條件下，不能使逆過(guò)程重復(fù)正過(guò)程的每一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程。b.不平衡和耗散等因素的存在，是導(dǎo)致過(guò)程不可 逆的原因，只有當(dāng)過(guò)程中的每一步，系統(tǒng)都無(wú) 限接近平衡態(tài)，而且沒(méi)有摩擦等耗散因素時(shí)， 過(guò)程才是可逆的。c.不可逆過(guò)程并不是不能在反方向進(jìn)行的過(guò)程， 而是當(dāng)逆過(guò)程完成后，對(duì)外

6、界的影響不能消除。a.自然界中一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程。討論： (1) 在溫度為 的高溫?zé)嵩春蜏囟葹?的低溫?zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，效率都相等，而與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，其效率為: (2) 在溫度為 的高溫?zé)嵩春蜏囟葹?的低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)的效率不可能大于可逆熱機(jī)的效率。 卡諾定理指出了提高熱機(jī)效率的途徑： a. 使熱機(jī)盡量接近可逆機(jī)； b. 盡量提高兩熱源的溫度差。卡 諾 卡諾定理 （1）在溫度為 的高溫?zé)嵩春蜏囟葹?的低溫?zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，效率都相等，而與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，其效率為:可逆熱機(jī)E 卡諾熱機(jī)E 工作在相同的高低溫?zé)嵩?T1、T2 間的卡諾熱機(jī)E與可逆熱機(jī)E , 設(shè)法使之做相等的功 A 而連接起來(lái)。它們的效率分別為:卡諾定理的證明 用反證法，假設(shè)得到兩部熱機(jī)一起工作，成為一部復(fù)合機(jī)，結(jié)果外界不對(duì)復(fù)合機(jī)作功，而復(fù)合機(jī)卻將熱量 從低溫?zé)嵩此偷礁邷責(zé)嵩?，違反熱力學(xué)第二定律。所以 不可能，即反之可證 不可能，即 (2)在溫度為 的高溫?zé)嵩春蜏囟葹?的 低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)的效率 不可能大于可逆熱機(jī)的效率。 同上的方法，用一不可逆熱機(jī) 代替 可逆熱機(jī) 可證明: 選擇進(jìn)入下一節(jié)6-0 教學(xué)基本要求6-1 熱力學(xué)第零定律和第一定律6-2 熱力學(xué)