1、1第第4章章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 4.1 自然過程的不可逆性自然過程的不可逆性 4.2 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 4.3 態(tài)函數(shù)熵與熵增加原理態(tài)函數(shù)熵與熵增加原理 4.4 熵概念的推廣熵概念的推廣 4.5 耗散結(jié)構(gòu)耗散結(jié)構(gòu)2本章擬用的演示和視頻本章擬用的演示和視頻1.永動機(jī)能制成嗎永動機(jī)能制成嗎?視頻視頻G042.低溫技術(shù)視頻低溫技術(shù)視頻T333.熵視頻熵視頻G0434.1 自然過程的不可逆性自然過程的不可逆性 一一. 可逆過程與不可逆過程可逆過程與不可逆過程 二二. 一切自然過程都是不可逆過程一切自然過程都是不可逆過程4 一一. 可逆過程與不可逆過程可逆過程與不可逆過程 1.定

2、義：定義： 一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)過程一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)過程 P 從一狀態(tài)從一狀態(tài) 變化到另一狀態(tài)變化到另一狀態(tài) 如果如果存在存在一個(gè)過程一個(gè)過程使系統(tǒng)和外界使系統(tǒng)和外界 完全完全復(fù)原復(fù)原 則說明原過程則說明原過程 P 是是可逆可逆的的 否則是不可逆的否則是不可逆的512P判斷的是原過程判斷的是原過程P系統(tǒng)和外界全復(fù)原系統(tǒng)和外界全復(fù)原可逆過程是理想過程可逆過程是理想過程2.注意關(guān)鍵詞注意關(guān)鍵詞3.只有只有準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài) 無摩擦的過程無摩擦的過程 才是才是可逆的過程可逆的過程PVdVPd準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦VPAdd 初始小過程初始小過程VPAdd恢復(fù)小過程恢復(fù)小過程6二二. 一切自然過程都是不可逆過

3、程一切自然過程都是不可逆過程 自然過程有明顯的方向性自然過程有明顯的方向性 如如 功變熱功變熱 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 擴(kuò)散擴(kuò)散1. 熱轉(zhuǎn)換熱轉(zhuǎn)換其其惟一惟一效果是（自動地）效果是（自動地）把把熱全部熱全部轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成功功的過程的過程是是不可能不可能發(fā)生的發(fā)生的72.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 其其惟一惟一效果是熱量效果是熱量從低從低溫物體溫物體 傳向傳向高溫高溫物體的過程是物體的過程是 不可能不可能發(fā)生的發(fā)生的3. 結(jié)論結(jié)論 1) )自然界中自然界中一切與熱現(xiàn)象一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀有關(guān)的宏觀過程均是過程均是不可逆不可逆過程過程 2) )宏觀上與熱相伴過程的不可逆性是宏觀上與熱相伴過程的不可逆性是相互相互溝通溝通的

4、的84.2 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 一一. 熱力學(xué)第二定律的宏觀表述熱力學(xué)第二定律的宏觀表述 二二. 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋熱力學(xué)第二定律的微觀解釋9一一. 熱力學(xué)第二定律的宏觀表述熱力學(xué)第二定律的宏觀表述 1.克勞修斯克勞修斯(Clisuis)表述：表述：熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體2.開爾文（開爾文（Kelvin)表述：表述：其唯一效果是熱全部轉(zhuǎn)變成功的過程其唯一效果是熱全部轉(zhuǎn)變成功的過程是不可能發(fā)生的是不可能發(fā)生的( (或或 第二類永動機(jī)是不可能造成的第二類永動機(jī)是不可能造成的 或或 單熱源熱機(jī)是不可能造成的單熱源熱機(jī)是不可能造成的)

5、)( (制冷機(jī)制冷機(jī)) )( (熱機(jī)熱機(jī)) )103.兩種表述的等效性兩種表述的等效性(相互溝通相互溝通)如果第二類永動機(jī)可造出來如果第二類永動機(jī)可造出來熱量自動從低熱量自動從低溫傳到高溫溫傳到高溫開氏開氏證：證：1T2T1Q凈A2Q1Q看聯(lián)合機(jī)：看聯(lián)合機(jī)：低溫?zé)嵩磧舴艧岬蜏責(zé)嵩磧舴艧崃钇渫苿涌ㄖZ制冷機(jī)令其推動卡諾制冷機(jī)2Q高溫?zé)嵩磧粑鼰岣邷責(zé)嵩磧粑鼰?1QQ 12QAQ凈2Q克氏克氏如果第二類永動機(jī)能造出來如果第二類永動機(jī)能造出來惟一效果惟一效果11二二.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 1.宏觀狀態(tài)與微觀狀態(tài)宏觀狀態(tài)與微觀狀態(tài)左左右右宏觀上看宏觀上看：左、右兩部分各有多少粒

6、子左、右兩部分各有多少粒子而不去區(qū)分究竟是哪個(gè)粒子而不去區(qū)分究竟是哪個(gè)粒子微觀上看微觀上看：具體哪個(gè)粒子在哪？具體哪個(gè)粒子在哪？編號為編號為dcba宏觀態(tài)宏觀態(tài) 微觀態(tài)微觀態(tài) 46411122.熱力學(xué)幾率熱力學(xué)幾率( (概率概率) ) 一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài) 數(shù)目叫做這一宏觀態(tài)的數(shù)目叫做這一宏觀態(tài)的 熱力學(xué)幾率熱力學(xué)幾率 宏觀態(tài)宏觀態(tài) 微觀態(tài)微觀態(tài)46411146413. 等幾率假設(shè)等幾率假設(shè) 孤立系統(tǒng)中孤立系統(tǒng)中 每個(gè)微觀態(tài)出現(xiàn)的幾率相同每個(gè)微觀態(tài)出現(xiàn)的幾率相同4. 在諸多的宏觀態(tài)中在諸多的宏觀態(tài)中 熱力學(xué)幾率大的宏觀態(tài)最易出現(xiàn)熱力學(xué)幾率大的宏觀態(tài)最易出現(xiàn)( (平衡態(tài)平

7、衡態(tài)) )135. 熱二律的微觀解釋熱二律的微觀解釋 自發(fā)過程的方向性自發(fā)過程的方向性如如 自由膨脹自由膨脹有序有序無序無序大大小小 1) )自然過程從熱力學(xué)幾率小向熱力學(xué)幾率大自然過程從熱力學(xué)幾率小向熱力學(xué)幾率大 的方向進(jìn)行的方向進(jìn)行 2) )宏觀上認(rèn)為不可能出現(xiàn)的狀態(tài)宏觀上認(rèn)為不可能出現(xiàn)的狀態(tài) 在微觀上認(rèn)為是可能的在微觀上認(rèn)為是可能的 只不過幾率太小而已只不過幾率太小而已 3) )熱熱 律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律 ( (與熱與熱 律不同律不同) )討論討論144 ) ) 一切自然過程總是沿著分子的無序性增大一切自然過程總是沿著分子的無序性增大的方向進(jìn)行的方向進(jìn)行l(wèi)功熱轉(zhuǎn)換功熱轉(zhuǎn)換 機(jī)械功（電

8、功）機(jī)械功（電功） 熱能熱能 有序運(yùn)動有序運(yùn)動 無序運(yùn)動無序運(yùn)動 l熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)T2T1動能分布動能分布較有序較有序TT動能分布更動能分布更無序無序l氣體自由膨脹氣體自由膨脹位置較有序位置較有序位置更無序位置更無序15樓塌是一個(gè)從有序到無序的過程樓塌是一個(gè)從有序到無序的過程熵增過程熵增過程不可收拾不可逆不可收拾不可逆16超流超流-噴泉噴泉強(qiáng)調(diào)：強(qiáng)調(diào)：熱二律的本質(zhì)熱二律的本質(zhì)l l與熱相聯(lián)系的自然現(xiàn)象中與熱相聯(lián)系的自然現(xiàn)象中 自發(fā)過程都是不可逆的自發(fā)過程都是不可逆的l l特殊情況特殊情況 低溫時(shí)超流現(xiàn)象低溫時(shí)超流現(xiàn)象- 吸收光的熱量轉(zhuǎn)化為功吸收光的熱量轉(zhuǎn)化為功 是是可逆過程可逆過程 需用新的理論

9、解釋需用新的理論解釋174.3 態(tài)函數(shù)熵與熵增加原理態(tài)函數(shù)熵與熵增加原理 一一. 熵的定義熵的定義 二二. 熵增加原理熵增加原理 三三. 熵與熱量熵與熱量 四四. 熵的計(jì)算熵的計(jì)算 五五. 溫熵圖溫熵圖18一一.熵的定義熵的定義 玻耳茲曼定義式玻耳茲曼定義式lnkS熵是狀態(tài)參量熵是狀態(tài)參量是系統(tǒng)紊亂程度的量度是系統(tǒng)紊亂程度的量度與與 E T P 同地位同地位19lnkS引入熵的意義引入熵的意義理論上理論上 是熱力學(xué)系統(tǒng)的共同特征是熱力學(xué)系統(tǒng)的共同特征 判斷自然過程有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)判斷自然過程有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上實(shí)際上 熵的數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的熵的數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的 重要技術(shù)指標(biāo)重要技術(shù)指標(biāo)20二二. 熵增加原理熵增加原理 熱熱 律的數(shù)學(xué)表述律的數(shù)學(xué)表述 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)自發(fā)過程方向性問題自發(fā)過程方向性問題可逆過程可逆過程0S不可逆過程不可逆過程0S表述：表述： 孤立系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的過程孤立系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的過程 熵永不減少熵永不減少 孤立系統(tǒng)內(nèi)過程必有孤立系統(tǒng)內(nèi)過程必有實(shí)際一個(gè)過程還可能有實(shí)際一個(gè)過程還可能有012SSS注意注意:0S0S 030TSQ吸吸TSQ放放T-S曲線下面積為吸（放