第5講-熱力學(xué)-熵與生命課件

5.1熱力學(xué)的基本概念5.2熱力學(xué)第一定律5.3循環(huán)過程卡諾循環(huán)

5.4熱力學(xué)第二定律

5.5熵熵增加原理5.6熵與生命第5章熱力學(xué)熵與生命5.1熱力學(xué)的基本概念

5.1.1準靜態(tài)過程從初態(tài)到末態(tài)的每一個中間狀態(tài)都可以近似地視為平衡態(tài)的過程.

準靜態(tài)過程是無限緩慢過程的極限，它是一個理想過程(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO準靜態(tài)過程的過程曲線可以用p-V圖來描述,圖上的每一點分別表示系統(tǒng)的一個平衡態(tài).

5.1.2功結(jié)論：功在數(shù)值上等于過程曲線下面積。對外做功為正。功與過程有關(guān)，并非狀態(tài)函數(shù)。(p2,V2,T2)(p1,V1,T1)pVOdVV1V25.1.3熱量系統(tǒng)之間由熱相互作用而傳遞的能量。熱功當(dāng)量：1卡=4.186焦耳5.1.4內(nèi)能理想氣體內(nèi)能：理想氣體的內(nèi)能只與分子熱運動的動能有關(guān)，是溫度的單值函數(shù)。理想氣體分子的自由度.雙原子氣體，如氫、氧、氮等五個自由度單原子氣體，如氦、氬等三個自由度六個自由度多原子氣體，如水蒸汽、甲烷等例：1mol剛性雙原子分子理想氣體的內(nèi)能為多少？例：如圖所示為一定量的理想氣體的p—V圖，由圖可得出結(jié)論（A）是等溫過程；（C）（D）（B）例：有兩個系統(tǒng)，分別裝有可以看作理想氣體的質(zhì)量相同的H2和He，兩個系統(tǒng)內(nèi)能相同，若裝有H2的系統(tǒng)的溫度為300K，那么裝有He的系統(tǒng)溫度為

。（1000K）5.2熱力學(xué)第一定律

5.2.1的數(shù)學(xué)描述外界對系統(tǒng)做功和外界對系統(tǒng)傳遞熱量均使系統(tǒng)的內(nèi)能增加.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化應(yīng)該服從能量守恒定律，即狀態(tài)的微小變化過程——熱力學(xué)第一定律5.2.2熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用

1.等體過程氣體的摩爾定體熱容系統(tǒng)作功：定義：摩爾定體熱容2.等壓過程氣體的摩爾定壓熱容功：內(nèi)能：熱量：問題：1mol氣體溫度每升高1k所需要的熱量是多少？摩爾定壓熱容與摩爾定體熱容的關(guān)系：——邁耶公式

摩爾熱容比（絕熱系數(shù)）：定義摩爾定壓熱容：3.等溫過程T=恒量，dE=0例題5-1今有0.016kg的氧氣，初始為標準狀態(tài)，經(jīng)歷下列各過程并吸收熱量300J，若過程（1）為等溫過程，求終態(tài)體積；（2）為等體過程，求終態(tài)壓強；（3）為等壓過程，求內(nèi)能的變化.例題

質(zhì)量為2.810-3kg,壓強為1atm,溫度為27℃的氮氣.先在體積不變的情況下使其壓強增至3atm,再經(jīng)等溫膨脹使壓強降至1atm,然后又在等壓過程中將體積壓縮一半.試求氮氣在全部過程中的內(nèi)能變化、所做的功以及吸收的熱量,并畫出pV圖.解:V3V4Vp/atm132V11234等體過程:V3V4Vp/atm132V11234等溫過程:等壓過程:V3V4Vp/atm132V11234例：對于室溫下的雙原子分子理想氣體，在等壓膨脹的情況下，系統(tǒng)對外所作的功與從外界吸收的熱量之比W/Q等于多少？）

5.2.3生命系統(tǒng)的能量交換和代謝生物體變化速率外界開放能量的交換（傳熱、做功）物質(zhì)交換（食物、廢料）假定環(huán)境溫度恒定在時間Dt

內(nèi)，人體對外所做的功人體放出的熱量熱力學(xué)第一定律通過觀察人把食物轉(zhuǎn)換為能量和廢物時利用氧的速率來測量。無論是睡眠還是活動，人體都在不停地消耗內(nèi)能.如食物在分解代謝過程中需要耗氧．以葡萄糖為例,完全氧化180g的葡萄糖需要134.4L的氧,產(chǎn)生的熱量為686kcal.每升氧產(chǎn)生的熱量是:每克葡萄糖產(chǎn)生的熱量為一人以100L/h的速率耗氧,由內(nèi)能的變化率可得例：體重為70kg的20歲的男性，靜臥但醒著時耗能為1卡=4.186焦耳表5-2DE大部分直接轉(zhuǎn)換為熱量，其余的用來在體內(nèi)做功。在生物體內(nèi)，食物不是直接被利用，而是轉(zhuǎn)換成像三磷酸腺甙（dài

）（ATP）.這種物質(zhì)可以被各種組織利用.在這個轉(zhuǎn)換中，大約55%的內(nèi)能以熱的形式損失，其余的45%用來在體內(nèi)器官中做內(nèi)部的功使骨骼肌收縮而對外做功。例：一個65kg的人騎自行車，根據(jù)表5-2的數(shù)據(jù)，可計算出他所消耗內(nèi)能的速率為騎了4個小時，則消耗的內(nèi)能為若消耗的能量來自體內(nèi)脂肪，查表5-1中數(shù)據(jù)，可計算此期間用去的脂肪為思考題5-265kg的人靜坐一整天需要消耗多少內(nèi)能？比較騎車人，對大多數(shù)人來說，減少體重更為實際的方法是限制進食還是運動鍛煉？5.3循環(huán)過程卡諾循環(huán)

5.3.1循環(huán)過程及其效率循環(huán)過程：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列的變化過程又回到初始狀態(tài)的過程。循環(huán)特征：經(jīng)歷一個循環(huán)過程后，內(nèi)能不變。目的：制造能連續(xù)進行熱功轉(zhuǎn)換的機器——熱機、制冷機熱機：獲得有用功吸熱膨脹蒸汽機的工作原理圖：工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩刺帲ㄥ仩t）吸收熱量，通過渦輪機對外做功，再在低溫?zé)嵩刺帲ɡ淠鳎┓懦鰺崃浚?jīng)水泵回到原狀態(tài).完成一次循環(huán)。5.3.2卡諾循環(huán)最理想的熱機高溫?zé)嵩吹臏囟仍礁?，低溫?zé)嵩吹臏囟仍降?，卡諾循環(huán)的效率越大.但熱機的效率不可能達到100%，那么最大效率到底能達到多少？正是對這個問題的研究促成了熱力學(xué)第二定律的建立.實際最高效率：例.熱電廠按卡諾循環(huán)計算：非卡諾循環(huán)、耗散（摩擦等）冷凝塔鍋爐發(fā)電機原因：例：1mol氦氣經(jīng)過圖所示的ABCDA循環(huán)。求：（1）在整個循環(huán)過程中氣體吸收的熱量和所做的功；(2)熱機效率是多少？熱力學(xué)第一定律一切熱力學(xué)過程都應(yīng)滿足能量守恒。滿足能量守恒的過程是否一定都能進行?熱力學(xué)第二定律就是反映過程方向性的基本規(guī)律自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程都具有方向性——時間箭頭熱力學(xué)定律與自然過程化學(xué)過程熱傳導(dǎo)過程功變熱過程擴散過程不可逆過程熱剎車摩擦生熱.烘烤車輪，車不開.1.熱傳導(dǎo)過程熱量不能自動從低溫高溫功熱轉(zhuǎn)換過程具方向性熱傳導(dǎo)過程具有方向性2.功熱轉(zhuǎn)換過程自然現(xiàn)象的不可逆Q開爾文說5.4熱力學(xué)第二定律5.4.1熱力學(xué)第二定律的描述克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳給高溫物體而不產(chǎn)生其他影響.開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其他影響.克勞修斯說第二類永動機不可能制成.可以證明熱力學(xué)第二定律兩種表述的一致性熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于指出,一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆過程.2.熱力學(xué)第二定律指出了熱傳導(dǎo)方向性:高溫自動低溫低溫非自動高溫（外界做功）關(guān)鍵詞:“自動”即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能自發(fā)進行,不產(chǎn)生其他影響.例:電冰箱注意理解1.熱力學(xué)第二定律并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體.5.4.2熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義熱力學(xué)第二定律指出,一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀實際過程都是不可逆的,只能向著單一的方向進行.自古以來,人類就追求從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度去認識和解釋自然現(xiàn)象,認為這是深刻認識自然現(xiàn)象本質(zhì)的重要途徑.從微觀角度看,此系統(tǒng)組織得較差.微觀無序程度增加了.微觀的無序程度必定增加與熱能從高溫流向低溫的事實等價.此想法即熱二定律的另一表述.

理想氣體自由膨脹不可逆性的微觀解釋真空213213微觀態(tài)出現(xiàn)概率相同包含微觀態(tài)多的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大分子縮回左室的宏觀態(tài)概率小分子均勻分布的宏觀態(tài)概率大微觀態(tài)數(shù)宏觀態(tài)數(shù)4321123312123312231氣體自由膨脹1mol氣體都在左室的概率:N

個分子都在左室的概率:結(jié)論:

系統(tǒng)的自然過程是從概率小的宏觀態(tài)向概率大的宏觀態(tài)演化,也就是由“包含微觀態(tài)數(shù)目少的宏觀態(tài)”向“包含微觀態(tài)數(shù)目多的宏觀態(tài)”演化.實際觀察到的是均勻分布的概率最大的宏觀態(tài)熱力學(xué)第二定律既然是涉及大量分子運動的無序性變化的規(guī)律,因而它就是一條統(tǒng)計規(guī)律.

熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義統(tǒng)計規(guī)律的含義包含兩點:它只適用于包含大量分子的集體,而不適用于只有少數(shù)分子的系統(tǒng).熱力學(xué)第二定律并不像熱力學(xué)第一定律那樣嚴格不能違反,違背熱力學(xué)第二定律的事情還是有可能發(fā)生,只是概率非常小,小到趨于零,以至于忽略不計.“熱二”定律的實質(zhì):

一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆過程.5.5熵熵增加原理無序性增加樓塌是一個從有序到無序的過程引入一個概念：熵——描述系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，S。是系統(tǒng)無序性的量度。結(jié)論：熱力學(xué)第二定律指出自發(fā)過程總是朝熵增加的方向進行，即朝無序的方向進行.——熵增加原理5.6熵與生命

5.6.1生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)第二定律:自發(fā)過程總是朝熵增加的方向進行達爾文的進化論:進化的方向由簡單到復(fù)雜，由低級到高級——朝有序的方向發(fā)展——熵減矛盾說明什么生物:非孤立系,與外界有物質(zhì)、能量交換熵增原理條件:孤立系統(tǒng),自發(fā)過程系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熵,總為正值.與外界交換的熵流,其值可正可負.生命系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，其熵變可以分為兩部分，即熵產(chǎn)生與熵交換。熵產(chǎn)生值總為正；熵交換可為正值、負值或零.兩者之和決定了系統(tǒng)的總熵變.1944年，諾貝爾物理學(xué)獎得主薛定諤在其所發(fā)表的專著《生命是什么？》中指出：“一個生命有機體在不斷地增加它的熵——你或者說在增加正熵——并趨于接近最大熵值的危險狀態(tài)，那就是死亡.要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法是從環(huán)境中不斷吸取負熵，有機體是依賴負熵為生的.”這就是生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)。

生物體從外界吸收營養(yǎng)，排出廢物，就是吸收高度有序的低熵大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、淀粉等）而排出無序高熵的小分子物質(zhì)（如二氧化碳、尿、汗等），從而使生物體處于協(xié)調(diào)有序的狀態(tài)，達到維持生命的目的.隨著時間的推延，生物體慢慢失去從外界獲取負熵、的能力而成為孤立系統(tǒng)。按照熵增加原理，它最終將達到熵值最大的平衡態(tài)，即混亂度最大、最無序的狀態(tài).按照達爾文的進化論，這就是生命的終結(jié).5.6.2熵與人口極限折合成每人每秒的需要為:

50億人口計,即小孩折合成成年人6折,那么全球人類食物需求的總負熵流為:相比光合熵流似乎小2個數(shù)量級,但如考慮到生態(tài)等效率,且森林中的光合作用大部分并不為人類直接生產(chǎn)食品,等等因素.因此聽任人口無限制地膨脹下去,我們的“地球村”將承受不了日益沉重的人口負擔(dān).設(shè)每個成年人每天需攝入1公斤葡萄糖以維持生命,它含的負熵為:人類共同生存在一個地球上，自然資源和生存空間都是有限的.因此，人口是不能無限制增長的.我們經(jīng)常說萬物生長靠太陽