熱力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、熱力學(xué)基礎(chǔ)課件熱力學(xué)基礎(chǔ)課件熱學(xué)簡(jiǎn)介一.研究熱現(xiàn)象的學(xué)科分支熱現(xiàn)象物體與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化熱力學(xué)從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)研究物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和宏觀規(guī)律統(tǒng)計(jì)物理從微觀粒子的力學(xué)規(guī)律出發(fā)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)研究宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)熱學(xué)簡(jiǎn)介一.研究熱現(xiàn)象的學(xué)科分支熱現(xiàn)象物體與溫度有關(guān)的物理性宏觀量微觀量描述宏觀物體特性的物理量；如溫度、壓強(qiáng)、體積、熱容量、密度、熵等。描述微觀粒子特征的物理量；如質(zhì)量、速度、能量、動(dòng)量等。二.熱學(xué)的基本物理量 體積(V) 壓強(qiáng)(p)氣體分子可能到達(dá)的整個(gè)空間的體積大量分子與器壁及分子之間不斷碰撞而產(chǎn)生的宏觀效果宏觀量微觀量描述宏觀物體特性的物理量；如溫度、壓強(qiáng)、體積、熱1

2、、要選定一種合適物質(zhì)（稱測(cè)溫物質(zhì)）的測(cè)溫特性； 溫度的數(shù)值表示的主要步驟：2、規(guī)定測(cè)溫質(zhì)的測(cè)溫特性與溫度的依賴關(guān)系（線性）；3、選定溫度的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)（固定點(diǎn)），并把一定間隔的冷熱程度分為若干度。 溫度(T )大量分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法國(guó)際上規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16 K1、要選定一種合適物質(zhì)（稱測(cè)溫物質(zhì)）的測(cè)溫特性； 溫度的數(shù)值三種溫標(biāo)：（1）華氏溫標(biāo)：?jiǎn)挝弧叭A氏度”（F） 無(wú)鹽冰水混合物的溫度32 F ，大氣壓下水的沸點(diǎn)212 F（2）攝氏溫標(biāo)：?jiǎn)挝弧皵z氏度”（C） 水的冰點(diǎn)0 C，水的沸點(diǎn)100 C（3）熱力學(xué)溫標(biāo)：?jiǎn)挝弧伴_爾文”（K） T = t + 273.15

3、三種溫標(biāo)：（1）華氏溫標(biāo)：?jiǎn)挝弧叭A氏度”（F）（2）攝氏溫微觀粒子觀察和實(shí)驗(yàn)出 發(fā) 點(diǎn)熱力學(xué)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)揭示熱力學(xué)本質(zhì)二者關(guān)系無(wú)法自我驗(yàn)證不深刻缺 點(diǎn)揭露本質(zhì)普遍，可靠?jī)?yōu) 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)平均方法力學(xué)規(guī)律總結(jié)歸納邏輯推理方 法微觀量宏觀量物 理 量熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象研究對(duì)象微觀理論（統(tǒng)計(jì)物理學(xué)）宏觀理論（熱力學(xué)）三、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的異同微觀粒子觀察和實(shí)驗(yàn)出 發(fā) 點(diǎn)熱力學(xué)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)第7章 熱力學(xué)Sadi Carnot (17961832)薩迪.卡諾是法國(guó)工程師。 他運(yùn)用“理想實(shí)驗(yàn)”的思維方法，提出了最簡(jiǎn)單、但有重要理論意義的熱機(jī)循環(huán)（卡諾循環(huán)），創(chuàng)造了與工質(zhì)無(wú)關(guān)的理想熱機(jī)模型（

4、卡諾熱機(jī)），揭示熱產(chǎn)生動(dòng)力的普遍的規(guī)律。1824 年提出了卡諾定理，指出了提高熱機(jī)效率的有效途徑，揭示了熱力學(xué)的不可逆性，被后人認(rèn)為是熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。第7章 熱力學(xué)Sadi Carnot (17961832)7.1-7.2 熱力學(xué)的基本概念一、系統(tǒng)與環(huán)境熱力學(xué)系統(tǒng)環(huán)境孤立系統(tǒng)：封閉系統(tǒng)：開放系統(tǒng)：能量物質(zhì)7.1-7.2 熱力學(xué)的基本概念一、系統(tǒng)與環(huán)境熱力學(xué)系統(tǒng)低溫T2平衡態(tài)在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)。二、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程說(shuō)明 不受外界影響是指系統(tǒng)與外界不通過(guò)作功或傳熱的方式交換能量，但可以處于均勻的外力場(chǎng)中；如： 兩頭處于冰水、沸水中的金屬棒是一種穩(wěn)

5、定態(tài)，而不是平衡態(tài)；處于重力場(chǎng)中氣體系統(tǒng)的粒子數(shù)密度隨高 度變化，但它是平衡態(tài)。高溫T1低溫T2平衡態(tài)在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)在系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一狀態(tài)的過(guò)程。熱力學(xué)過(guò)程1221系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一狀態(tài)的過(guò)程。熱力過(guò)程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無(wú)限地接近平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)的過(guò)程說(shuō)明(1) 平衡態(tài)是熱動(dòng)平衡(2) 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一個(gè)理想過(guò)程；(3) 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在狀態(tài)圖上可用一條曲線表示, 如圖.OVp過(guò)程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無(wú)限地接近平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程非準(zhǔn)靜過(guò)程進(jìn)行時(shí)間 t 弛豫時(shí)間例如實(shí)際汽缸的壓

6、縮過(guò)程 = 10 -3 10 -2s(4). 實(shí)際過(guò)程的處理準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程無(wú)限緩慢進(jìn)行的過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是理想過(guò)程 因此，除一些進(jìn)行得極快的過(guò)程（如爆炸過(guò)程）外，大多數(shù)情況下都可以把實(shí)際過(guò)程看成是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程過(guò)程進(jìn)行時(shí)間 t 弛豫時(shí)間例如實(shí)際汽缸的壓縮三、理想氣體狀態(tài)方程R 為理想氣體常量：k 為玻爾茲曼常數(shù)n 為分子數(shù)密度或（克拉珀龍方程）三、理想氣體狀態(tài)方程R 為理想氣體常量：k 為玻爾茲曼常數(shù)n四、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功OpVdVpV1V2III微小熱力學(xué)過(guò)程全過(guò)程P-V圖上的矩形條的面積表示元功P-V圖上的過(guò)程曲線與橫軸所夾的面積表示總功功是過(guò)程量四、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功OpVdVpV1V2I

7、II微小熱力學(xué)過(guò)程全五、內(nèi)能 功 熱量?jī)?nèi)能（E）：系統(tǒng)內(nèi)與無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量的總和。分子動(dòng)能分子勢(shì)能與 T 有關(guān)與 V 有關(guān)內(nèi)能 E 是 T、V 的函數(shù)（內(nèi)能是狀態(tài)量）理想氣體分子除碰撞外無(wú)其他相互作用理想氣體無(wú)分子勢(shì)能理想氣體內(nèi)能 E 是 T 的單值函數(shù)：E = E( T )五、內(nèi)能 功 熱量?jī)?nèi)能（E）：系統(tǒng)內(nèi)與無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)的焦耳試驗(yàn) (1) 實(shí)驗(yàn)裝置溫度一樣 實(shí)驗(yàn)結(jié)果膨脹前后溫度計(jì)的讀數(shù)未變氣體絕熱自由膨脹過(guò)程中(2) 分析氣體的內(nèi)能僅是其溫度的函數(shù)。這一結(jié)論稱為焦耳定律。 焦耳試驗(yàn) (1) 實(shí)驗(yàn)裝置溫度一樣 實(shí)驗(yàn)結(jié)果膨脹前后溫度計(jì)的熱量（Q）：熱容 比熱容 摩爾熱容：熱容、熱量均

8、為過(guò)程量，式中的下標(biāo) x 表示具體的過(guò)程。1 mol物質(zhì)的熱容是傳熱過(guò)程中所傳遞能量的多少的量度。熱量（Q）：熱容 比熱容 摩爾熱容：熱容、熱量均為過(guò)程量，改變內(nèi)能的途徑：做功熱傳遞內(nèi)能改變E做功和熱傳遞效果一樣，本質(zhì)不同：作功內(nèi)能傳熱內(nèi)能（宏觀機(jī)械 運(yùn)動(dòng)能量） （分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能量 ） （分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能量 ） （分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能量 ） 改變內(nèi)能的途徑：做功熱傳遞內(nèi)能改變E做功和熱傳遞效果一樣，J.P.Joule (18181889)J.P.Joule (18181889)7.3 熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律功(W)熱量(Q)系統(tǒng)吸熱 ：系統(tǒng)對(duì)外作功 ： ；外界對(duì)系統(tǒng)作功 ：；系統(tǒng)

9、放熱 ：內(nèi)能改變量(E )內(nèi)能增加 ：；內(nèi)能減少 ：7.3 熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律功(W)熱量(Q第一類永動(dòng)機(jī)能否造成？如果則第一類永動(dòng)機(jī)無(wú)法造成“要科學(xué)，不要永動(dòng)機(jī)！” 焦耳第一類永動(dòng)機(jī)能否造成？如果則第一類永動(dòng)機(jī)無(wú)法造成“要科學(xué)，不二、理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的熱量定體摩爾熱容量定壓摩爾熱容量比熱容比摩爾熱容量單原子雙原子多原子說(shuō)明二、理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的熱量定體摩爾熱容量定壓摩爾熱容量比熱三、熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用1、等體過(guò)程 功吸收的熱量?jī)?nèi)能的增量OVpV1等體過(guò)程中氣體吸收的熱量，全部用來(lái)增加它的內(nèi)能，使其溫度上升。三、熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用1、等體過(guò)程 功吸2、

10、等壓過(guò)程熱量p1OVp功內(nèi)能變化量方法一：由熱力學(xué)第一定律2、等壓過(guò)程熱量p1OVp功內(nèi)能變化量方法一：由熱 由于內(nèi)能是狀態(tài)量，因此內(nèi)能改變量?jī)H與始末狀態(tài)有關(guān)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。p1OVp方法二：I I為等體過(guò)程：I II 為等溫過(guò)程，由于內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，因此等溫過(guò)程內(nèi)能不變： 由于內(nèi)能是狀態(tài)量，因此內(nèi)能改變量?jī)H與始末狀態(tài)p1OVp比較方法一和方法二的結(jié)果：（Mayer公式）為什么？Cp CV 理想氣體的 比 大一個(gè)常量R 。1mol 理想氣體溫度升高1K時(shí)，等壓過(guò)程要比等體過(guò)程多吸收8.31J的熱量，用于對(duì)外作功。因?yàn)椋?J.Mayer)p1OVp比較方法一和方法二的結(jié)果：（Mayer公式p

11、1OVp任意一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程內(nèi)能改變量：p2注意： Q 、W 都是過(guò)程量，不能用等效法來(lái)求解！在等壓過(guò)程中理想氣體吸收的熱量，一部分用來(lái)對(duì)外作功，其余部分則用來(lái)增加其內(nèi)能。 p1OVp任意一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程內(nèi)能改變量：p2注意： 3、等溫過(guò)程恒溫?zé)嵩碨 lSOVpV1V2功內(nèi)能變化量由于內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，因此等溫過(guò)程內(nèi)能不變，3、等溫過(guò)程恒溫?zé)嵩碨 lSOVpV1V2功內(nèi)能變化量OVp熱量在等溫膨脹過(guò)程中 ，理想氣體吸收的熱量全部用來(lái)對(duì)外作功；在等溫壓縮中，外界對(duì)氣體所的功，都轉(zhuǎn)化為氣體向外界放出的熱量。OVp熱量在等溫膨脹過(guò)程中 ，理想氣體吸收的熱量全部用、絕熱過(guò)程系統(tǒng)在絕熱過(guò)程中始終不與外界

12、交換熱量。良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過(guò)程；進(jìn)行得較快，系統(tǒng)來(lái)不及和外界交換熱量的過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程變化過(guò)程中環(huán)境溫度始終與系統(tǒng)保持一致，始終保持熱平衡狀態(tài)；、絕熱過(guò)程系統(tǒng)在絕熱過(guò)程中始終不與外界交換熱量。良好絕熱材 熱量OVp 內(nèi)能變化量 做功方法一：由熱力學(xué)第一定律，p 與 V 之間的函數(shù)關(guān)系？絕熱過(guò)程 熱量OVp 內(nèi)能變化量 做功方法一：由熱力I. 絕熱方程 對(duì)無(wú)限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程，有利用上式和狀態(tài)方程可得消dT泊 松 方 程I. 絕熱方程 對(duì)無(wú)限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程，有利用上式和狀態(tài)方方法二：由絕熱方程：OVp絕熱過(guò)程方法二：由絕熱方程：OVp絕熱過(guò)程II. 過(guò)程曲線微分A絕熱線等

13、溫線由于 1 ，所以絕熱線要比等溫線陡一些。 VpO絕熱線更陡峭的微觀解釋： 等溫過(guò)程中，氣體膨脹，壓強(qiáng)降低，僅由于氣體分子數(shù)密度減小引起；絕熱過(guò)程中，壓強(qiáng)降低由兩個(gè)因素引起分子數(shù)密度減小和溫度降低。II. 過(guò)程曲線微分A絕熱線等溫線由于 1 ，所以絕熱自然界及日常生活中的絕熱過(guò)程 絕熱冷卻。如壓縮空氣從噴嘴急速噴出時(shí)，氣體絕熱膨脹，使氣體變冷，甚至液化。 降雨。地面附近的氣團(tuán)受熱上升，高空的氣團(tuán)因冷下降，形成垂直氣流。在這一過(guò)程中因空氣傳熱性能差，可近似認(rèn)為是絕熱過(guò)程。上升熱氣流將因絕熱膨脹而降溫，從而使飽和蒸汽壓減小，達(dá)到一定程度時(shí)，水蒸氣從不飽和到飽和，開始凝結(jié)，并形成降雨。自然界及日常

14、生活中的絕熱過(guò)程 當(dāng)空氣越過(guò)山峰后，就變成了干燥的空氣。當(dāng)這種空氣沿背風(fēng)坡下降時(shí)，氣流由于被絕熱壓縮而升溫就形成了干熱風(fēng)。在山谷地、山脈北風(fēng)坡、低洼盆地，干熱風(fēng)較易形成，而在丘陵地帶和陽(yáng)坡地很難形成干熱風(fēng)。特別是，隨著海拔高度的升高，干熱風(fēng)將逐漸減弱。 干熱風(fēng)是中國(guó)北方小麥產(chǎn)區(qū)的常見自然災(zāi)害之一。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，選育抗干熱風(fēng)的作物品種，調(diào)整作物布局和栽培制度，營(yíng)造護(hù)林帶降低風(fēng)速以及適時(shí)灌溉增大濕度都可以有效地減輕干熱風(fēng)帶來(lái)的危害。 干熱風(fēng)形成 當(dāng)空氣越過(guò)山峰后，就變成了干燥的空氣。當(dāng)這種空例分析圖示過(guò)程中 E 、A 、Q 的正負(fù)：abOVp絕熱過(guò)程（1）a C1 b ；（2）a C2 b ；解：

15、（1）a C1 b ：由熱力學(xué)第一定律例分析圖示過(guò)程中 E 、A 、Q 的正負(fù)：abOVp絕熱過(guò)abOVp絕熱過(guò)程（2）a C2 b :由熱力學(xué)第一定律abOVp絕熱過(guò)程（2）a C2 b :由熱力學(xué)第一 小結(jié)： 分析熱力學(xué)過(guò)程中 的正負(fù)號(hào)時(shí)，應(yīng)能夠從 圖上搜取有關(guān)熱力學(xué)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)信息: 圖上的一點(diǎn)代表一個(gè)平衡態(tài)；一條光滑曲線代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程；曲線所包圍的面積代表該過(guò)程功的大小。 小結(jié)： 分析熱力學(xué)過(guò)程中 例 某熱力學(xué)系統(tǒng)由a 態(tài)沿acb 過(guò)程到達(dá)b 態(tài)，吸收熱量335J， 而系統(tǒng)作功126J，如圖所示。求 (1) 若經(jīng)adb 過(guò)程系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功42J，系統(tǒng)是吸熱還是放熱？ 熱量傳遞的數(shù)值

16、為多少？O Va dc bP(2) 當(dāng)系統(tǒng)由b 態(tài)沿曲線 ba 返回狀態(tài) a 時(shí)，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作功為84J，系統(tǒng)是吸熱還是放熱？熱量傳遞的數(shù)值為多少？(3) 若Ead=Ed-Ea=167J，ad 及db 過(guò)程是吸熱還是放熱？各為多少? 例 某熱力學(xué)系統(tǒng)由a 態(tài)沿acb 過(guò)程到達(dá)b 態(tài)，吸收熱量解(1) 內(nèi)能是狀態(tài)量，系統(tǒng)由a態(tài)到達(dá)b態(tài)，不管是沿acb還是沿adb ，其內(nèi)能的增量都一樣。在acb 的過(guò)程中，由熱力學(xué)第一定律得：則：在adb 的過(guò)程中，由熱力學(xué)第一定律得：該過(guò)程系統(tǒng)吸熱O Va dc bP解(1) 內(nèi)能是狀態(tài)量，系統(tǒng)由a態(tài)到達(dá)b態(tài)，不管是沿acb還O Va dc bP(2) 在系統(tǒng)由

17、狀態(tài)b沿曲線ba返回到狀態(tài)a這個(gè)過(guò)程中，由熱力學(xué)第一定律得：負(fù)號(hào)表示該過(guò)程，系統(tǒng)是放熱(3) 系統(tǒng)經(jīng)db 過(guò)程體積不變，故： 則：對(duì)ad 過(guò)程，由熱力學(xué)第一定律得：該過(guò)程系統(tǒng)是吸熱的對(duì)db 過(guò)程，由熱力學(xué)第一定律得：該過(guò)程，系統(tǒng)是吸熱的O Va 一定量氮?dú)猓涑跏紲囟葹?300 K，壓強(qiáng)為1atm。將其絕熱壓縮，使其體積變?yōu)槌跏俭w積的1/5。解例求壓縮后的壓強(qiáng)和溫度根據(jù)絕熱過(guò)程方程的pV 關(guān)系，有根據(jù)絕熱過(guò)程方程的TV 關(guān)系，有氮?dú)馐请p原子分子一定量氮?dú)?，其初始溫度?300 K，壓強(qiáng)為1atm。將其絕溫度為25，壓強(qiáng)為1atm 的1mol 剛性雙原子分子理想氣體經(jīng)等溫過(guò)程體積膨脹至原來(lái)的3倍

18、。 (1) 該過(guò)程中氣體對(duì)外所作的功；(2) 若氣體經(jīng)絕熱過(guò)程體積膨脹至原來(lái)的3 倍，氣體對(duì)外所 作的功。解例求VpO(1) 由等溫過(guò)程可得(2) 根據(jù)絕熱過(guò)程方程，有溫度為25，壓強(qiáng)為1atm 的1mol 剛性雙原子分子理想將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于絕熱過(guò)程方程中，有 將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于絕熱過(guò)程方程中，有 v 摩爾的單原子分子理想氣體，經(jīng)歷如圖的熱力學(xué)過(guò)程, 例VpOV02V0p02p0在該過(guò)程中，放熱和吸熱的區(qū)域。解求從圖中可以求得過(guò)程線的方程為將理想氣體的狀態(tài)方程代入上式并消去 p，有對(duì)該過(guò)程中的任一無(wú)限小的過(guò)程，有 v 摩爾的單原子分子理想氣體，經(jīng)歷如圖的熱力學(xué)過(guò)程, 例由熱力學(xué)第一定

19、律，有由上式可知 ，吸熱和放熱的區(qū)域?yàn)槲鼰岱艧酼pOV02V0p02p0絕熱線與直線的切點(diǎn)?討論:由熱力學(xué)第一定律，有由上式可知 ，吸熱和放熱的區(qū)域?yàn)槲鼰岱艧酑測(cè)定空氣比熱容比 = Cp / CV 的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。先關(guān)閉活塞B，將空氣由活塞 A 壓入大瓶 C 中，并使瓶中氣體的初溫與室溫T0相同，初壓 p1略高于大氣壓 p0；關(guān)閉活塞 A，然后打開活塞 B，待氣體膨脹到壓強(qiáng)與大氣壓平衡，迅速關(guān)閉 B，此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體溫度已略有降低。待瓶?jī)?nèi)氣體溫度重新與室溫平衡時(shí)，壓強(qiáng)變?yōu)閜2。把空氣視為理想氣體。例證明 空氣的 可以從下式算出(p2,V,T0) (p1,V1,T0) (p0,V,T) 絕熱證等

20、體 C測(cè)定空氣比熱容比 = Cp / CV 的實(shí)驗(yàn)裝置7.4 循環(huán)過(guò)程與卡諾循環(huán)一、循環(huán)過(guò)程及其意義循環(huán)過(guò)程：物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)歷一系列變化后，又回到原來(lái)狀態(tài)。pVOIIIabpVOIIIab正循環(huán)逆循環(huán)經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)后工作物質(zhì)回到原來(lái)狀態(tài)，由熱力學(xué)第一定律：7.4 循環(huán)過(guò)程與卡諾循環(huán)一、循環(huán)過(guò)程及其意義循環(huán)過(guò)程：pVOIIIa正循環(huán)I a II 過(guò)程：cdII b I 過(guò)程：經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)所做凈功：從高溫?zé)嵩次鼰釋?duì)外做功（同時(shí)向低溫?zé)嵩捶艧幔釞C(jī)循環(huán)bpVOIIIa正循環(huán)I a II 過(guò)程：cdII 熱機(jī)：通過(guò)某種工作物質(zhì)不斷地把吸收的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的裝置。蒸氣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽油機(jī)等熱機(jī)的能流圖高

21、溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)：通過(guò)某種工作物質(zhì)不斷地把吸收的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的裝置。汽油機(jī)AB：吸氣BC：絕熱壓縮CD：點(diǎn)火燃燒DE：絕熱膨脹EBA：排氣柴油機(jī)AB：吸氣BC：絕熱壓縮CD：點(diǎn)火燃燒DE：絕熱膨脹EBA：排氣汽油機(jī)AB：吸氣BC：絕熱壓縮CD：點(diǎn)火燃燒DE：絕pVOIIIacd逆循環(huán)I b II 過(guò)程，II a I 過(guò)程，經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)所做凈功：從低溫?zé)嵩次鼰嶙龉χ评溲h(huán)向高溫?zé)嵩捶艧醔pVOIIIacd逆循環(huán)I b II 過(guò)程，II 制冷機(jī)：通過(guò)對(duì)某種工作物質(zhì)做功，使之不斷從低溫?zé)嵩次鼰幔⑾蚋邷責(zé)嵩捶懦鰺崃康难b置。電冰箱致冷機(jī)的能流圖低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩粗评錂C(jī)：通過(guò)對(duì)某種工作物質(zhì)做功，使之

22、不斷從低溫?zé)嵩次鼰幔⑾螂姳銪（冷藏室）：等溫膨脹C（節(jié)流閥）：絕熱膨脹D（散熱器）：等溫壓縮E（壓縮機(jī)）：絕熱壓縮電冰箱B（冷藏室）：等溫膨脹C（節(jié)流閥）：絕熱膨脹D（散熱器家用電冰箱循環(huán)散熱器冷凍室蒸發(fā)器節(jié)流閥儲(chǔ)液器壓縮機(jī)2010atm3atm70-102QQ112A高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤Q(冷凍室)(周圍環(huán)境)氨家散熱器冷凍室蒸發(fā)器節(jié)儲(chǔ)壓2010atm3atm70-1二、循環(huán)效率pVOIIIab正循環(huán)熱機(jī)將熱量盡可能多地轉(zhuǎn)化為功熱機(jī)效率（循環(huán)效率）：工作物質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)熱機(jī)循環(huán)：由熱力學(xué)第一定律：W 對(duì)外所做凈功；Q1 從高溫?zé)嵩次盏臒崃?；Q2 向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?；二、循環(huán)效率pVOIII

23、ab正循環(huán)熱機(jī)將熱量盡可能多地轉(zhuǎn)化為逆循環(huán)制冷機(jī)盡量少地對(duì)系統(tǒng)做功（同時(shí)系統(tǒng)盡量多地從低溫?zé)嵩次鼰幔┕ぷ魑镔|(zhì)經(jīng)歷一個(gè)制冷循環(huán)：由熱力學(xué)第一定律：制冷系數(shù)：VOpIIIabW 環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所做凈功；Q1 向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃浚籕2 從低溫?zé)嵩次盏臒崃浚? W 0 )逆循環(huán)制冷機(jī)盡量少地對(duì)系統(tǒng)做功（同時(shí)系統(tǒng)盡量多地從低溫?zé)嵩次?1 mol 氦氣經(jīng)如圖所示的循環(huán)，其中 p2 = 2 p1，V4 = 2 V1，求 在12、23、34、41等過(guò)程中氣體與環(huán)境的熱量交換以及循環(huán)效率（可將氦氣視為理想氣體）。OpVV1V4p1p2解p2 = 2 p1V2 = V11234T2 = 2 T1p3 = 2 p

24、1V3 = 2 V1T3 = 4 T1p4 = p1V4 = 2 V1T4 = 2 T1（1）例 1 mol 氦氣經(jīng)如圖所示的循環(huán)，其中 p2 =OpVV1V4p1p2123412 為等體過(guò)程：23 為等壓過(guò)程：34 為等體過(guò)程：41 為等壓過(guò)程：OpVV1V4p1p2123412 為等體過(guò)程：23 為OpVV1V4p1p21234（2）經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，系統(tǒng)吸收的總熱量系統(tǒng)放出的總熱量OpVV1V4p1p21234（2）經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，系統(tǒng)吸收的 當(dāng)給定某過(guò)程初、末態(tài)的（P、V）值時(shí)，需要根據(jù) 理想氣體狀態(tài)方程,把P、V 之間的關(guān)系變換成溫度 T值之間的關(guān)系，對(duì)于此類技巧，應(yīng)能掌握。小結(jié)： 求解循

25、環(huán)效率問(wèn)題的一般規(guī)律是，先求出各個(gè)分過(guò) 程的熱量，然后算出總的吸熱和總的放熱，再代入 效率公式計(jì)算; 當(dāng)給定某過(guò)程初、末態(tài)的（P、V）值時(shí)，需要根據(jù)小結(jié)： 1 mol 單原子分子理想氣 體的循環(huán)過(guò)程如圖所示。 (1) 作出 pV 圖(2) 此循環(huán)效率解例求cab60021T(K）V（10-3m3）Oac1600300b2V（10-3m3）Op（103R）(2) ab是等溫過(guò)程，有bc是等壓過(guò)程，有(1) pV 圖 1 mol 單原子分子理想氣 (1) 作出 pca是等體過(guò)程循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)吸熱循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)放熱此循環(huán)效率ca是等體過(guò)程循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)吸熱循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)放熱此循環(huán)效率例： 1 mol

26、 單原子理想氣體如圖所示的循環(huán)。已知 Va = Vb = 3 L ，Vc = 6 L 。bc 為直線，且 Tb = Tc = T ，求 效率。OpVVaVcpapbabc解：a b 為等體過(guò)程，例： 1 mol 單原子理想氣體如圖所示的循環(huán)。已知 Va OpVVaVcpapbabcbc ?d絕熱線假設(shè) bc 過(guò)程中存在一臨界狀態(tài) d ，該狀態(tài)處絕熱線與 bc 相切，即由圖可知，對(duì) bc 線上任一點(diǎn)OpVVaVcpapbabcbc ?d絕熱線假設(shè) bc OpVVaVcpapbabcd絕熱線bc 過(guò)程應(yīng)該看作 bd 、dc 兩個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，其中OpVVaVcpapbabcd絕熱線bc 過(guò)程應(yīng)該看作

27、 bdOpVVaVcpapbabcdbd 過(guò)程，OpVVaVcpapbabcdbd 過(guò)程，dc 過(guò)程，OpVVaVcpapbabcddc 過(guò)程，OpVVaVcpapbabcdOpVVaVcpapbabcdca 為等壓過(guò)程，經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，系統(tǒng)吸收的總熱量系統(tǒng)放出的總熱量OpVVaVcpapbabcdca 為等壓過(guò)程，經(jīng)歷一個(gè)循例 1mol氖氣經(jīng)歷圖示循環(huán)，求循環(huán)效率由狀態(tài)方程易知吸熱：和解利用功與面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系求解例 1mol氖氣經(jīng)歷圖示循環(huán)，求循環(huán)效率由狀態(tài)方程易知吸熱熱力學(xué)基礎(chǔ)課件卡諾循環(huán)AB：等溫膨脹BC：絕熱膨脹CD：等溫壓縮DA：絕熱壓縮三、卡諾循環(huán) 卡諾定理卡諾循環(huán)AB：等溫膨脹BC

28、：絕熱膨脹CD：等溫壓縮Dab為等溫膨脹過(guò)程：bc為絕熱膨脹過(guò)程：cd為等溫壓縮過(guò)程：da為絕熱壓縮過(guò)程：pVOabcdVaVdVbVcT1T2,卡諾熱機(jī)的循環(huán)效率：ab為等溫膨脹過(guò)程：bc為絕熱膨脹過(guò)程：cd為等溫壓縮過(guò)程：pVOabcdVaVdVbVcT1T2bc、ab過(guò)程均為絕熱過(guò)程，由絕熱方程：(Tb = T1, Tc = T2)(Ta = T1, Td = T2)注意：此式只適用于卡諾循環(huán)的計(jì)算。pVOabcdVaVdVbVcT1T2bc、ab過(guò)程均為絕熱提高熱機(jī)效率的方法： 減小循環(huán)過(guò)程中的損耗，如摩擦等； 提高高溫?zé)嵩吹臏囟?；提高熱機(jī)效率的方法： 減小循環(huán)過(guò)程中的損耗，如摩擦等；

29、pVOabcdVaVdVbVcT1T2卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)：注意：此式只適用于卡諾循環(huán)的計(jì)算。溫差越大，致冷系數(shù)越低!pVOabcdVaVdVbVcT1T2卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)： 假定環(huán)境溫度為300K，經(jīng)歷循環(huán)每次吸取的熱量都是100J，則當(dāng)冷庫(kù)的溫度分別為100K、1K、10-3K時(shí)，所需作的功。 可見，當(dāng)T2趨近于0K時(shí)，只要Q2不為零，則所需的功將接近無(wú)窮大！ 熱力學(xué)第三定律：絕對(duì)零度不能達(dá)到。 假定環(huán)境溫度為300K，經(jīng)歷循環(huán)每次吸取的熱量卡諾定理:所有可逆卡諾熱機(jī)中卡諾定理對(duì)熱機(jī)的指導(dǎo)意義 熱機(jī)必須有兩個(gè)熱源； 熱機(jī)的效率不可能大于或等于1，只能小于1； 提高熱機(jī)的效率，就要使T2

30、 /T 1 越小越好。由于低溫?zé)嵩吹臏囟纫话銥榇髿鉁囟龋蕴岣吒邷責(zé)嵩吹臏囟仁翘岣邿釞C(jī)效率的途徑； 使熱機(jī)的循環(huán)盡量接近卡諾可逆循環(huán)?？ㄖZ定理:所有可逆卡諾熱機(jī)中卡諾定理對(duì)熱機(jī)的指導(dǎo)意義例 一定量的理想氣體，經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)過(guò)程，其中AB 和CD 是等壓過(guò)程，BC 和DA是絕熱過(guò)程。已知B 點(diǎn)溫度為T1 ，C 點(diǎn)溫度為T2 。求 該循環(huán)的效率解 該循環(huán)只有兩個(gè)等壓過(guò)程與環(huán)境發(fā)生熱量交換。 AB 吸熱 Q1 ，CD 放熱Q 2 ，則吸熱放熱例 一定量的理想氣體，經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)過(guò)程，其中AB 和以上兩式相除消去P ，得 （B、C 在同一絕熱線上） （A、D 在同一絕熱線上）有 注意： 此循

31、環(huán)不是卡諾循環(huán)，但為什么它的效率與卡諾循環(huán)效率形式一樣呢？問(wèn)題的關(guān)鍵是兩者T1、T2 的含義不同。可見循環(huán)效率形式相同,循環(huán)的性質(zhì)卻不一定相同。 本題告訴我們，應(yīng)準(zhǔn)確理解物理公式中各符號(hào)的含義，切忌望“符”生義，更不能亂套公式。由絕熱過(guò)程方程 ，得以上兩式相除消去P ，得 （B、C 在逆向斯特林致冷循環(huán)的熱力學(xué)循環(huán)原理如圖所示，該循環(huán)由四個(gè)過(guò)程組成，先把工質(zhì)由初態(tài)A（V1， T1）等溫壓縮到B（V2 ， T1） 狀態(tài)，再等體降溫到C （V2， T2）狀態(tài)，然后經(jīng)等溫膨脹達(dá)到D （V1， T2） 狀態(tài)，最后經(jīng)等體升溫回到初狀態(tài)A，完成一個(gè)循環(huán)。 該致冷循環(huán)的致冷系數(shù)。解例求在過(guò)程CD中，工質(zhì)從冷

32、庫(kù)吸取的熱量為在過(guò)程中AB中，向外界放出的熱量為ABCDVpO致冷系數(shù)為溫差越大，致冷系數(shù)越低。逆向斯特林致冷循環(huán)的熱力學(xué)循環(huán)原理如圖所示，該循環(huán)由四個(gè)過(guò)程解：致冷機(jī)所需最小功率，即為卡諾循環(huán)機(jī)的功率。由卡諾循 環(huán)的致冷系數(shù)例、（1）夏季的致冷空調(diào)（冷泵），須將室內(nèi)熱量排到室外，設(shè)排放速率為 ，若室內(nèi)溫度為 ，室外溫度為 ，求該致冷機(jī)所需的最小功率。故所需最小功率為 667W。解：致冷機(jī)所需最小功率，即為卡諾循環(huán)機(jī)的功率。由卡諾循例、（重 要 公 式小 結(jié)重 要 公 式小 結(jié)7.5 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律能量守恒定律問(wèn)題：熱機(jī)效率？T1T2T1 T2Q?單熱源熱機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)若熱機(jī)效率能

33、達(dá)到100%, 則僅地球上的海水冷卻1 , 所獲得的功就相當(dāng)于1014t 煤燃燒后放出的熱量。7.5 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律能量守恒定律問(wèn)題：熱一、熱力學(xué)第二定律的表述開爾文表述不可能只從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它變化。第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成熱功轉(zhuǎn)化的方向性實(shí)質(zhì)（18241907）第二類永動(dòng)機(jī)、單熱源熱機(jī),實(shí)驗(yàn)證明是不可能的。一、熱力學(xué)第二定律的表述開爾文表述不可能只從單一熱源吸收熱量克勞修斯表述熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體 理想制冷機(jī)不可能制成熱傳遞的方向性實(shí)質(zhì) （18221888）它對(duì)有限范圍的宏觀過(guò)程是成立的，但不適用于少量分子的微觀體系，也不能把它推廣

34、到無(wú)限的宇宙。熱力學(xué)第二定律的適用范圍和條件：克勞修斯表述熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體 理想制冷機(jī)(1) 假設(shè)開爾文表述不成立 克勞修斯表述不成立高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩捶治觯杭僭O(shè)“開爾文表述不成立，而克勞修斯表述成立”。低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩慈鐖D所示，會(huì)得出低溫?zé)嵩磧舴诺臒崃孔詣?dòng)地傳給高溫?zé)嵩矗c“克勞修斯表述成立”的假設(shè)矛盾。(1) 假設(shè)開爾文表述不成立 克勞修斯表(2) 假設(shè)克勞修斯表述不成立 開爾文表述不成立低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩捶治觯杭僭O(shè)“克勞修斯表述不成立，而開爾文表述成立”。綜合（1）（2），兩種表述等價(jià)。會(huì)得出系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次盏膬魺崃咳坑脕?lái)對(duì)外做功了，這與“開爾文表述成立”的假設(shè)矛盾。

35、低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩?2) 假設(shè)克勞修斯表述不成立 開爾文用熱力學(xué)第二定律證明：在 p V 圖上任意兩條絕熱線不可能相交。反證法例abc絕熱線等溫線設(shè)兩絕熱線相交于c 點(diǎn)，在兩絕熱線上尋找溫度相同的兩點(diǎn)a、b。在循環(huán)過(guò)程 abca 中VpO違背開爾文表述這就構(gòu)成了從單一熱源吸收熱量的熱機(jī)。任意兩條絕熱線不可能相交。用熱力學(xué)第二定律證明：在 p V 圖上任意兩條絕熱線不可二、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)歷的熱力學(xué)過(guò)程每一步都可沿相反的方向進(jìn)行，使得系統(tǒng)和外界都完全恢復(fù)原狀。那么這個(gè)過(guò)程就稱為可逆過(guò)程。如對(duì)于某一過(guò)程，用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，該過(guò)程就是不可逆過(guò)程

36、。 可逆過(guò)程不可逆過(guò)程 過(guò)程不可逆的原因: 存在耗散因素，如摩擦、黏性力、電阻等。 系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)了非平衡因素，如有限的壓強(qiáng)差、有限的溫度差、有限的密度差等 。二、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)歷的熱力不可逆過(guò)程的實(shí)例彈簧振子（無(wú)摩擦）xm可逆（有摩擦）不可逆單擺（真空） （有氣體） 可逆不可逆（有氣體）功熱轉(zhuǎn)換：功向熱轉(zhuǎn)化可自動(dòng)進(jìn)行 熱傳導(dǎo):熱量從高溫傳到低溫物體可自動(dòng)進(jìn)行 不可逆過(guò)程的實(shí)例彈簧振子（無(wú)摩擦）xm可逆（有摩擦）不可逆單自由膨脹： 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程都是不可逆過(guò)程。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。可逆過(guò)程無(wú)摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程自由膨脹： 一切與

37、熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程都是不可逆過(guò)程。不平衡和熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)功熱轉(zhuǎn)換過(guò)程是不可逆過(guò)程開爾文表述克勞修斯表述熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆過(guò)程一切實(shí)際的宏觀熱力學(xué)過(guò)程都是不可逆的 兩種表述的等價(jià)性又進(jìn)一步表明，這兩種不可逆過(guò)程之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，由其中任一種過(guò)程的不可逆性可以推斷出另一種過(guò)程的不可逆性，其不可逆性是相互溝通的。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)功熱轉(zhuǎn)換過(guò)程是不可逆過(guò)程開爾文表述克勞修1、系統(tǒng)吸熱是否一定溫度升高？討論： 熱量是熱傳遞的能量，而溫度是系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)程度的量度。因此，系統(tǒng)的溫度變化與熱量傳遞無(wú)必然聯(lián)系。 例：等溫膨脹過(guò)程 吸熱， 對(duì)外作功，而內(nèi)能溫度均保持不變。 又例：絕熱過(guò)程 ，但系統(tǒng)內(nèi)能、溫

38、度均可以變化。課 堂 練 習(xí)1、系統(tǒng)吸熱是否一定溫度升高？討論： 熱量是熱傳遞的2、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是否一定是可逆過(guò)程？可逆過(guò)程是 否一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程？討論： 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程不一定是可逆過(guò)程。如果準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程有摩擦存在，由于有熱功轉(zhuǎn)換的不可逆，因而該準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程就是不可逆過(guò)程，沒有耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程才是可逆過(guò)程。 可逆過(guò)程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。因?yàn)槿绻欠菧?zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，則無(wú)法重復(fù)正過(guò)程的狀態(tài)。2、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是否一定是可逆過(guò)程？可逆過(guò)程是 討論： 8.9 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義和熵的概念氣體的自由膨脹3個(gè)分子的分配方式abc左半邊右半邊abc0abbcaccababcbcacab0abc例一. 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)

39、意義8.9 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義和熵的概念氣體的自由膨(微觀態(tài)數(shù) 23 )微觀態(tài): 在微觀上能夠加以區(qū)別的每一種分配方式 宏觀態(tài): 宏觀上能夠加以區(qū)分的每一種分布方式（宏觀態(tài)數(shù) 4 ） 每一種微觀態(tài)概率( 1/23 )氣體的自由膨脹abc左半邊右半邊abc0abbcaccababcbcacab0abc(微觀態(tài)數(shù) 23 )微觀態(tài): 在微觀上能夠加以區(qū)別的每一種4個(gè)分子的分配方式左半邊右半邊abcd0abcbcdcdadabdabc0abcdabcbcdcdadabdabccdadabbcacdbabbccddabdac(微觀態(tài)數(shù)24, 宏觀態(tài)數(shù)5 , 每一種微觀態(tài)概率(1 / 24) )可以

40、推知有 N 個(gè)分子時(shí)，分子的總微觀態(tài)數(shù)2N ，總宏觀態(tài)數(shù)( N +1 ) ，每一種微觀態(tài)概率 (1 / 24 ) 4個(gè)分子的分配方式左半邊右半邊abcd0abcbcdcdad20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)的微觀狀態(tài)數(shù) 左20 右0 1 左18 右2 190 左15 右5 15504 左11 右9 167960 左10 右10 184756 左9 右11 167960 左5 右15 15504 左2 右18 190 左0 右20 1包含微觀狀態(tài)數(shù)最多的宏觀狀態(tài)是出現(xiàn)的概率最大的狀態(tài)20個(gè)分子的位置分布 宏觀狀態(tài)一種N/2結(jié)論左側(cè)分子數(shù) n(n)熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義微觀態(tài)數(shù)少的

41、宏觀態(tài)微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)N/2結(jié)論左側(cè)分子數(shù) n(n)熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義微觀分析幾個(gè)不可逆過(guò)程(1) 氣體的自由膨脹氣體可以向真空自由膨脹但卻不能自動(dòng)收縮。因?yàn)闅怏w自由膨脹的初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最少，最后的均勻分布狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多。如果沒有外界影響，相反的過(guò)程，實(shí)際上是不可能發(fā)生的。 (2) 熱傳導(dǎo)兩物體接觸時(shí)，能量從高溫物體傳向低溫物體的概率，要比反向傳遞的概率大得多！因此，熱量會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳向低溫物體，相反的過(guò)程實(shí)際上不可能自動(dòng)發(fā)生。 分析幾個(gè)不可逆過(guò)程(1) 氣體的自由膨脹氣體可以向真空自由膨功轉(zhuǎn)化為熱就是有規(guī)律的宏觀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒o(wú)序熱運(yùn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)變的概率極大，

42、可以自動(dòng)發(fā)生。相反，熱轉(zhuǎn)化為功的概率極小，因而實(shí)際上不可能自動(dòng)發(fā)生。(3) 功熱轉(zhuǎn)換二. 熵 熵增原理 引入熵的目的1. 熵狀態(tài)(1)狀態(tài)(2)孤立系統(tǒng)能否自動(dòng)進(jìn)行？判據(jù)是什么？微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)為了定量的表示系統(tǒng)狀態(tài)的這種性質(zhì)，從而定量說(shuō)明自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的方向，而引入熵的概念。功轉(zhuǎn)化為熱就是有規(guī)律的宏觀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒o(wú)序熱(3) 功熱(1) 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。玻耳茲曼熵公式說(shuō)明(2) 一個(gè)系統(tǒng)的熵是該系統(tǒng)的可能微觀態(tài)的量度，是系統(tǒng)內(nèi) 分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性的一種量度。k 為玻耳茲曼常數(shù)(3) 熵是一個(gè)宏觀量，對(duì)大量的分子才有意義。2. 熵增原理122 1 (自動(dòng)進(jìn)行)孤立系統(tǒng)

43、(1) 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。玻耳茲曼熵公式說(shuō)明(2) 一個(gè)系(等號(hào)僅適用于可逆過(guò)程)孤立系統(tǒng)的熵永不會(huì)減少。這一結(jié)論稱為熵增原理說(shuō)明熵增原理只能應(yīng)用于孤立系統(tǒng)，對(duì)于開放系統(tǒng)，熵是可以減少的。例如某溶液在冷卻過(guò)程中的結(jié)晶的現(xiàn)象。其內(nèi)的分子從溶液中無(wú)序的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的有規(guī)則排列，熵是減少的。從狀態(tài)(1)變化到狀態(tài)(2) 的過(guò)程中，熵的增量為3. 熵的宏觀表示在無(wú)限小的可逆過(guò)程中，系統(tǒng)熵的元增量等于其熱溫比, 即 (等號(hào)僅適用于可逆過(guò)程)孤立系統(tǒng)的熵永不會(huì)減少。這一結(jié)論稱為對(duì)于系統(tǒng)從狀態(tài)(1) 變化到狀態(tài)(2) 的有限可逆過(guò)程來(lái)說(shuō)，則熵的增量為 說(shuō)明對(duì)于可逆過(guò)程可以直接使用上式計(jì)算熵變對(duì)于不可逆過(guò)

44、程，欲計(jì)算熵變必須設(shè)計(jì)一條連接狀態(tài)(1) 與狀態(tài)(2) 的可逆過(guò)程。對(duì)于系統(tǒng)從狀態(tài)(1) 變化到狀態(tài)(2) 的有限可逆過(guò)程來(lái)說(shuō)，例計(jì)算理想氣體從體積 V1 向真空膨脹到體積 V2 時(shí)的熵變。解：理想氣體作絕熱自由膨脹，內(nèi)能不變，溫度不變。設(shè)計(jì)可逆等溫膨脹過(guò)程計(jì)算熵變。 由于V2V l，故S 0。這表明經(jīng)自由膨脹這個(gè)不可逆過(guò)程以后，系統(tǒng)的熵增加了。例計(jì)算理想氣體從體積 V1 向真空膨脹到體積 V2 時(shí)的熵變?nèi)?、熵的本質(zhì)熵是無(wú)序度的量度熵越大,系統(tǒng)越混亂熵越小,系統(tǒng)越有序熵變是熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行方向與限度的判據(jù)孤立系統(tǒng)的熵增加原理三、熵的本質(zhì)熵是無(wú)序度的量度熵越大,系統(tǒng)越混亂熵越小,系統(tǒng)越 熵不同于能

45、量：只要不可逆過(guò)程發(fā)生，它就會(huì)被生產(chǎn)出來(lái)；而能量不會(huì)無(wú)中生有，它只能由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式；能量品質(zhì)的高低可以用熵的多少來(lái)度量。熱力學(xué)第二定律：（從能量退化角度）一孤立系統(tǒng)內(nèi)的自 然過(guò)程必然導(dǎo)致能量的退 化； （從熵變角度）一孤 立系統(tǒng)內(nèi)的自然過(guò)程必然導(dǎo)致熵的增加。機(jī)械能 分子整體做有規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量，是一 種有序能量，品質(zhì)高，熵值低。熱 能 分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的能量，是一種無(wú)序能量，品質(zhì)低，熵值高。1、熵與能量 熵不同于能量：只要不可逆過(guò)程發(fā)生，它就會(huì)被自組織現(xiàn)象：在一定條件下，系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)地由比較無(wú)序 變?yōu)楸容^有序，使其內(nèi)部分子按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)的 現(xiàn)象，它廣泛存在于生物界和非生物界中。生命

46、系統(tǒng)的熵變： 叫熵產(chǎn)生 ，由系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的不可逆過(guò)程引起，其值恒大于零； 叫熵交換(或熵流)，由系統(tǒng)與外界交換能量或物質(zhì)引起，其值可正、可負(fù)、可為零。 2、熵與生命自組織現(xiàn)象：在一定條件下，系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)地由比較無(wú)序生命系統(tǒng)的 時(shí)，生物系統(tǒng)的熵增加，生物便開始退化、衰老； 當(dāng)生物體的熵達(dá)到最大時(shí)，整個(gè)機(jī)體呈現(xiàn)高度混亂狀 態(tài)，處于熱力學(xué)平衡之中，即生物體的死亡。薛定諤說(shuō)：“生命是以負(fù)熵為食?！睍r(shí)，系統(tǒng)的熵減少，有序度增加，即生物體的成長(zhǎng)。時(shí)，系統(tǒng)的熵不變，系統(tǒng)便維持在一定的有序結(jié)構(gòu)上，即生物體的成熟。 當(dāng)生物系統(tǒng)出現(xiàn)短期或局部的熵積累過(guò)多，這就是生物的病態(tài)。 時(shí)，生物系統(tǒng)的熵增加，生物便開始退化

47、當(dāng)代理論物理學(xué)家史蒂芬.霍金（Stephen W . Hawking）指出： “至少存在有三個(gè)時(shí)間箭頭將過(guò)去和將來(lái)區(qū)分開來(lái)，即：熱力學(xué)箭頭，這是無(wú)序度增加的時(shí)間方向；心理學(xué)箭頭，在這個(gè)時(shí)間方向上，我們能記住過(guò)去而不是未來(lái)；還有宇宙學(xué)箭頭，在這個(gè)方向上宇宙在膨脹，而不是在收縮。”3、熵與時(shí)間 當(dāng)代理論物理學(xué)家史蒂芬.霍金（Stephen 香農(nóng)定義的信息熵： 式中Pi 表示某事件出現(xiàn)某種可能結(jié)果的概率， 4、熵與信息 信息 就是對(duì)事物狀態(tài)、存在方式和相互聯(lián)系進(jìn)行表達(dá)的一組文字、符號(hào)、語(yǔ)言、圖像等。 信息對(duì)事物起著減少或清除不確定性的作用，系統(tǒng)的熵也可以說(shuō)是對(duì)系統(tǒng)混亂程度或不確定度的量度，因此，熵增

48、加等價(jià)于信息的減少，或稱信息與負(fù)熵等效。香農(nóng)定義的信息熵：4、熵與信息 信息 就是對(duì)事物 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，物質(zhì)流、能流和熵流并存。在與自然界進(jìn)行物質(zhì)交換中，輸入物質(zhì)資源，排出廢物；在能量交換中，輸入有效能，排出廢熱；在熵交換中，有資源熵的輸入，經(jīng)濟(jì)熵的產(chǎn)生，其中一部分熵殘留在產(chǎn)品中，另一部分則與廢物、廢熱一起被排放到環(huán)境中去。5、熵與社會(huì)科學(xué) 把熵引入管理系統(tǒng)中，可以使管理系統(tǒng)有序化，處在一種高能低熵的狀態(tài)。系統(tǒng)化管理中，應(yīng)盡量選擇以低熵?fù)Q取“有序”的途徑和辦法，避免中間過(guò)程和環(huán)節(jié)引起的熵增。 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，物質(zhì)流、能流和熵流并存。在與自閱讀材料： 耗散結(jié)構(gòu) 熱力學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段是平衡態(tài)熱力學(xué)，以提高熱機(jī)效率為基礎(chǔ)，研究熱功轉(zhuǎn)換關(guān)系。第二階段是線形非平衡態(tài)熱力學(xué) ，開放系統(tǒng)在廣義力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生廣義流，由于驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)度較弱，結(jié)果和原因呈線形關(guān)系。系統(tǒng)發(fā)展的前景是穩(wěn)定的非平衡態(tài)，第三階段是非線形非平衡態(tài)熱力學(xué)，當(dāng)廣義力強(qiáng)度足夠大時(shí)，以致結(jié)果與原因呈非線形關(guān)系，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)?？赡茏詣?dòng)從無(wú)序中產(chǎn)生高度的組織-自組織現(xiàn)象；也可能從無(wú)