第一次课:2学时 1题目 545热力学第二定律和卡诺定理 546熵熵增加原理 §47耗散结构 2目的:1)了解热力学第二定律的几种表述飛式。 2)建立熵的概念,了解熵增加原理。 引入课题 切热力学过程都应该满足能量守恒。满足能量守恒的过程都能进行吗? 热力学第二定律告诉我们,过程的进行还有个方向性的问题 满足能量守恒的过程不一定都能进行。 二、讲授新课 545热力学第二定律和卡诺定理 、自然过程的方向性 自然过程的实例 1功热转换的方向性 功→热可自动进行(如摩擦生热 焦耳实验) 热→功不可自动进行(焦耳实验中,不水 叶片 可能水温自动降低推动叶片而使重物升高) 焦耳实验 热自动地转换为功的过程不可能发生 通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的 其惟一效果(指不引起其它变化)是一定量的内能(热)全部转变为机械能(功)的 过程是不可能发生的。 讨论: ·热机:把热转变成了功,但有其它变化(热量从髙温热源传给了低温热源)。 ·理想气体等温膨胀:把热全部变成了功,但伴随了其它变化(体积膨胀)
1 第一次课： 2 学时 1 题目： §4.5 热力学第二定律和卡诺定理 §4.6 熵 熵增加原理 §4.7 耗散结构 2 目的： 1）了解热力学第二定律的几种表述形式。 2）建立熵的概念，了解熵增加原理。 一、引入课题： 一切热力学过程都应该满足能量守恒。满足能量守恒的过程都能进行吗? 热力学第二定律告诉我们，过程的进行还有个方向性的问题， 满足能量守恒的过程不一定都能进行。 二、讲授新课： §4.5 热力学第二定律和卡诺定理 一、自然过程的方向性 自然过程的实例 1.功热转换的方向性 功 → 热 可自动进行(如摩擦生热、 焦耳实验) 热 → 功 不可自动进行(焦耳实验中，不 可能水温自动降低推动叶片而使重物升高) 热自动地转换为功的过程不可能发生 通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的 其惟一效果(指不引起其它变化)是一定量的内能(热)全部转变为机械能(功)的 过程是不可能发生的。 讨论： ·热机：把热转变成了功，但有其它变化(热量从高温热源传给了低温热源)。 ·理想气体等温膨胀：把热全部变成了功，但伴随了其它变化(体积膨胀)。 · · 水 叶片 焦耳实验
2.热传导的方向性 热量可以自动地从高温物体传向低温物体,但相反的过程却不能发生。 热量不可能自动地从低温物体传向高温物体 其惟一效果是热量从低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的。 3气体绝热自由膨胀的方向性 在绝热容器中的隔板被抽去的瞬间,分子 初态 都聚在左半部(这是一种非平衡态,因为 容器内各处压强或密度不尽相同),此后 分子将自动膨胀充满整个容器,最后达到 平衡态。(注意:这是一种非准静态过程) 气体绝热自由膨胀的方向性 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的 结论:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 (均涉及热功转换或热传导) 实例:生命过程是不可逆的: 出生→童年→>少年→青年→中年→老年→八宝山不可逆! 二、热力学第二定律的两种表述 热力学第二定律以否定的语言说出一条确定的规律 1开尔文表述:不可能制造出这样一种循环工作的热机,它只使单一热源冷却来 做功,而不放出热量给其他物体,或者说不使外界发生任何变化。 讨论:等温过程 等温膨胀过程是从单一热源吸热作功,而不放出热量给其它物体,但它非循环过 2克劳修斯表述不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变 化 讨论: 卡诺循环 高温热源T1 卡诺致冷机=W Q2 低温热源
2 2.热传导的方向性 热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反的过程却不能发生。 热量不可能自动地从低温物体传向高温物体 其惟一效果是热量从低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的。 3.气体绝热自由膨胀的方向性 在绝热容器中的隔板被抽去的瞬间，分子 都聚在左半部 (这是一种非平衡态，因为 容器内各处压强或密度不尽相同)，此后 分子将自动膨胀充满整个容器，最后达到 平衡态。 (注意：这是一种非准静态过程) 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的 实例：生命过程是不可逆的： 出生 → 童年 → 少年 → 青年 →中年 → 老年 → 八宝山 不可逆！ 二、热力学第二定律的两种表述 热力学第二定律以否定的语言说出一条确定的规律。 1.开尔文表述：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来 做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化。 讨论：等温过程 等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过 程。 2.克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变 化 。 讨论： 卡诺循环 气体绝热自由膨胀的方向性 初态 末态 结论：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。 (均涉及热功转换或热传导) = E 0 QT A V o p T2 W 1 T A B C D T T 1 2 Q2 Q1 高温热源 T1 低温热源 T2 卡诺致冷机 Q1 Q2 W
虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至髙温物体,但需外界作功且使环境发生 变化。 注意:1热力学第二定律是大量实验和经验的总结。 2热力学第二定律开尔文表述与克劳修斯表述具有等效性。 3热力学第二定律可有多种说法,每一种说法都反映了自然界过程进行 的方向性。 三、可逆过程与不可逆过程 1可逆过程:系统由一初态出发,经某过程到达一末态后,如果能使系统回 到初态而不在外界留下任何变化(即系统和外界都恢复了原状),则此过程叫做可 逆过程( (reversible process) 初态 末态 (外界亦需恢复原状) 准静态等温过程 P p-1(p,D) 热 源 (P2V,) V2 v 2不可逆过程:系统经某过程由一初态到达末态后,如不可能使系统和外界都完 全复原,则此过程称不可逆过程( (irreversible process)
3 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生 变化。 注意：1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结。 2 热力学第二定律开尔文表述与克劳修斯表述具有等效性 。 3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行 的方向性。 三、可逆过程与不可逆过程 1.可逆过程: 系统由一初态出发，经某过程到达一末态后，如果能使系统回 到初态而不在外界留下任何变化(即系统和外界都恢复了原状)，则此过程叫做可 逆过程(reversible process)。 初态 末态 （外界亦需恢复原状) 2.不可逆过程：系统经某过程由一初态到达末态后，如不可能使系统和外界都完 全复原，则此过程称不可逆过程(irreversible process)
非准静态过程为不可逆过程 可逆过程的条件:只有无耗散的准静态过程才是可逆过程 在实际中,无耗散的准静态过程是不存在,因此一切实际过程都是不可 逆的。可逆过程只是一种理想模型 切自然过程实际宏观过程都是不可逆过程 因为自然过程 1)有摩擦损耗,涉及功热转换,而功热转换是不可逆的 2)是非准静态过程,其中间态是非平衡态,涉及非平衡态向平衡态过渡的问题, 这是不可逆的(例如,前面所讲的气体自由膨胀就是这样的不可逆过程)。只有 无摩擦的准静态过程才是可逆过程 3)在有传热的情况下,准静态过程还要求系统和外界在任何时刻的温差为无限 小,否则传热过快会引起系统状态的不平衡。温差无限小的热传导(称等温热传 导)是有传热的可逆过程的必要条件。 三、卡诺定理 早在热力学第一和第二定律建立之前,在研究提高热机效率的过程中,1824年 卡诺提出了一个重要定理(这里只作介绍不作证明),其内容是 1)在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相。 72 2)工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大 于可逆机的效率。7不可逆>可 例;卡诺机 <1(不可逆机) 1-g2<五-7 1(可逆机) 根据卡诺定理可以知道,卡诺热机(卡诺循环)的效率是一切热机效率的最高极
4 一切自然过程(实际宏观过程)都是不可逆过程 因为自然过程 1)有摩擦损耗，涉及功热转换，而功热转换是不可逆的； 2)是非准静态过程，其中间态是非平衡态，涉及非平衡态向平衡态过渡的问题， 这是不可逆的(例如，前面所讲的气体自由膨胀就是这样的不可逆过程)。只有 无摩擦的准静态过程才是可逆过程 3）在有传热的情况下，准静态过程还要求系统和外界在任何时刻的温差为无限 小，否则传热过快会引起系统状态的不平衡。温差无限小的热传导(称等温热传 导) 是有传热的可逆过程的必要条件。 三、卡诺定理 早在热力学第一和第二定律建立之前，在研究提高热机效率的过程中，1824 年 卡诺提出了一个重要定理 (这里只作介绍不作证明)，其内容是： 1） 在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相。 2） 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大 于可逆机的效率。不可逆 可逆 例;卡诺机 根据卡诺定理可以知道，卡诺热机(卡诺循环)的效率是一切热机效率的最高极 非准静态过程为不可逆过程。 可逆过程的条件： 只有无耗散的准静态过程才是可逆过程 = 1( 不可逆机 ) 1（可逆机） 1 2 1 2 1 1 Q Q T T Q T − − = 在实际中，无耗散的准静态过程是不存在，因此一切实际过程都是不可 逆的。可逆过程只是一种理想模型。 2 1 1 T T 可逆 ＝－
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5 限
