熱學(xué)熱力學(xué)第二定律

熱學(xué)熱力學(xué)第二定律1第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三在德州奧斯汀城內(nèi)的一個咖啡館的墻上寫下了這樣一段話：“時間是上帝用來防止所以事務(wù)發(fā)生在同一時刻的方式。”時間同樣有方向——一些事件以一定的次序發(fā)生而絕不可能自動的以相反的次序發(fā)生。一個偶然掉進(jìn)杯子中的雞蛋破裂了；破裂的雞蛋重新形成一個完整的雞蛋并跳回手上。（相反過程）

有些過程是絕對不可能自動發(fā)生的，為什么呢？為什么這一過程不能像錄像帶倒放過來一樣呢？是什么把方向給予了時間？2第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三一個封閉系統(tǒng)的能量是守恒的，總是保持不變。熵的改變有時被稱為“時間的箭頭”對不可逆過程，一個封閉系統(tǒng)的熵總是增加的。時間向后的方向?qū)?yīng)于破裂的雞蛋重新形成為一個完整的雞蛋并回到手上。這個過程將導(dǎo)致系統(tǒng)熵的減少。所以這個過程是絕不可能發(fā)生。3第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三一、自然過程的方向性熱傳導(dǎo)氣體的絕熱自由膨脹過程1、可逆過程一個過程進(jìn)行時，如果外界條件改變一無窮小的量，這個過程可以反方向進(jìn)行的過程。2、3、不可逆的相互依存熱功轉(zhuǎn)換熱量總是由高溫物體傳給低溫物體。氣體向真空中絕熱自由膨脹的過程是不可逆的。機(jī)械能→內(nèi)能逆過程：熱轉(zhuǎn)化為功不引起其他的變化。4第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三二、熱力學(xué)第二定律其唯一效果是熱全部轉(zhuǎn)換為功的過程是不可能的。1、內(nèi)容開爾文表述說明自然宏觀過程進(jìn)行的方向的規(guī)律2、表述只要任選一種實(shí)際過程并指出方向克勞修斯表述熱量不能自動地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌淖兓?、永動機(jī)第一類永動機(jī)：不需要能量輸入而繼續(xù)做功第二類永動機(jī)：有能量輸入的單熱源機(jī)5第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動無序性增大的方向進(jìn)行。（統(tǒng)計(jì)規(guī)律）4、微觀意義熱傳導(dǎo)氣體的絕熱自由膨脹過程熱功轉(zhuǎn)換大量分子無序運(yùn)動由于熱傳導(dǎo)而變大占較小空間→占較大空間功→熱機(jī)械能→內(nèi)能大量分子有序運(yùn)動→無序運(yùn)動6第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三分布（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布（微觀態(tài)）14641三、熱力學(xué)概率與自然過程的方向熱力學(xué)概率7第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三①對于一個宏觀狀態(tài)，可有許多微觀狀態(tài)與之相對應(yīng)；②每一種宏觀狀態(tài)對應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)目不等。總的N個分子宏觀態(tài)：N+1其微觀態(tài)：2N③每個微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率相同，對應(yīng)微觀數(shù)目多的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大；④對應(yīng)微觀狀態(tài)數(shù)目最多的宏觀態(tài)是系統(tǒng)再一定宏觀條件下的平衡態(tài)；⑤熱力學(xué)概率：Ω任一宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)平衡態(tài)對應(yīng)Ω為最大值若Ω不是最大值，系統(tǒng)非平衡態(tài)Ω是分子運(yùn)動無序性的一種量度8第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三S=kln(k為玻爾茲曼常數(shù)）對于系統(tǒng)的某一宏觀態(tài)，有一個值與之對應(yīng)，因而也就有一個S值與之對應(yīng)。1、熵(S)四、熵和熵增加原理一個系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)構(gòu)成，其熱力學(xué)概率分別為Ω1Ω2狀態(tài)量與過程無關(guān)S與Ω一樣，都是分子運(yùn)動無序性的一種量度2、熵的可加性3、熵增加原理：熱力學(xué)第二定律：再孤立系中所進(jìn)行的自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動無序性（熵）增大的方向進(jìn)行。9第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三五、克勞修斯熵公式1、可逆過程:與過程無關(guān)，只決定于初末狀態(tài)2、不可逆過程:做功不會改變Ω熱傳導(dǎo)：吸熱dΩ>0；放熱dΩ<03、熵的計(jì)算:10第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三①熵是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，分子運(yùn)動無序性的量度。②熵越大，狀態(tài)幾率越大，無序度越高。④絕熱系統(tǒng)、實(shí)際過程熵總是增大的。⑤可逆絕熱循環(huán)過程熵不變。⑥孤立系統(tǒng)中一切實(shí)際過程是從狀態(tài)幾率小向狀態(tài)幾率大的轉(zhuǎn)變過程，一切實(shí)際過程，都是不可逆的，并向著熵增加的方向進(jìn)行。S=kln4、熵的物理意義③S=kln

與概念上有區(qū)別11第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三熵的增加是能量退化的量度。5.關(guān)于熵進(jìn)一步討論如圖當(dāng)A物體下降h時，水溫由T--T+T，這個過程中重力勢能Mgh全部變成水的內(nèi)能。要利用這一能量只能利用熱機(jī)。若周圍溫度為T0則這部分能量能對外作功的最大值為：能作的功少了，一部分能量放入到低溫?zé)釒?。再也不能被利用了。這部分不能被利用的能量稱為退化的能量。MAAAT+Tm12第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三退化的能量以重物及水為孤立系統(tǒng)，其熵變：C為比熱對外能作的最大的功值MAAAT+Tm13第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三1）退化的能量是與熵成正比的；每利用一份能量，就會得到一定的懲罰--把一部分本來可以利用的能量變?yōu)橥嘶哪芰浚豢梢宰C明：退化的能量實(shí)際上就是環(huán)境污染的代名詞。節(jié)約能源就是保護(hù)環(huán)境。而保護(hù)環(huán)境就是保護(hù)人類的生存條件，非同小可。2）自然界的實(shí)際過程都是不可逆過程，即熵增加的過程，大量能源的使用加速了這一過程。而熵的增加導(dǎo)致了世界混亂度的增加。注意：熱源溫度愈高它所輸出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臐摿陀?，即較高溫度的熱能有較高的品質(zhì)。當(dāng)熱量從高溫?zé)嵩床豢赡娴膫鞯降蜏責(zé)嵩磿r，盡管能量在數(shù)量上守恒，但能量品質(zhì)降低。一切不可逆過程實(shí)際上都是能量品質(zhì)降低的過程，熱力學(xué)第二定律提供了估計(jì)能量品質(zhì)的方法。14第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三熵是事物無序度的量度因?yàn)殪厥桥c微觀狀態(tài)的對數(shù)成正比的，微觀狀態(tài)數(shù)越大，混亂度就越大。信息量越小。相反熵減小則有序度增加。以一個N個分子的物質(zhì)系統(tǒng)為例：讓其冷卻，放出熱量，先是碰撞次數(shù)減少，引起混亂的平均速率減小。繼而變?yōu)橐后w時這時分子以振動為主，平動為輔，位置相對固定，有序度增加，溫度再降低時，分子在平衡位置附近振動更加序。事實(shí)上平衡態(tài)是最無序。最無信息量，最缺活力的狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)雜談人們發(fā)現(xiàn)無機(jī)界、無生命的世界總是從有序向無序變化，但生命現(xiàn)象卻越來越有序，生物由低級向高級發(fā)展、進(jìn)化。以致出現(xiàn)人類這樣高度有序的生物。意大利科學(xué)家普里高津提出了耗散結(jié)構(gòu)理論，解釋了這個問題。15第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三開放系統(tǒng)---與外界有物質(zhì)和能量的交換的系統(tǒng)原來生命是一開放系統(tǒng)。其熵變由兩部分組成。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(fù)。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)時系統(tǒng)不斷消耗能源與物質(zhì)，從熵流中獲取負(fù)熵，從而使系統(tǒng)在較高層次保持有序。正如薛定諤指出來的：‘生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不斷地獲得負(fù)熵’。16第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三感冒：起因---運(yùn)動或勞累過后，身體消耗大量能量，產(chǎn)生大量廢熱（體內(nèi)熵大增）如能迅速排除，人相安無事。但如此時或吹風(fēng)、或著涼皮膚，并下令皮膚毛細(xì)血管收縮阻止身體散熱，這樣體內(nèi)原有積熵排不出，還進(jìn)一步產(chǎn)生積熵，以致積熵過剩。熵是無序度的量度。因此人體內(nèi)二千多化學(xué)反應(yīng)開始混亂--使人頭痛、發(fā)燒、畏寒畏冷、全身無力。抵抗力減弱…..人因此感冒了.,皮膚感到過涼，此信息傳到大腦的調(diào)溫中心---丘腦，進(jìn)行調(diào)溫以暖中醫(yī)說:內(nèi)有虛火,外感風(fēng)寒.西醫(yī)說:感冒了,有炎癥.物理說:如何治療呢?中醫(yī)說:西醫(yī)說:物理說:發(fā)汗清熱.退熱消炎積熵過剩.消除積熵.17第十七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三癌癥:由于各種原因,致使體內(nèi)某一部分的混亂度大幅度增長.以致破壞了細(xì)胞再生時的基因密碼的有序遺傳,細(xì)胞無控制地生長,產(chǎn)生毒素,進(jìn)一步破壞人體的有序,直到熵趨近無窮大---死亡到來.修養(yǎng)與健康:患得患失、氣量狹小、愛生氣的人易患癌癥不易長壽。人要“淡薄名利”。此方是做人的