大學(xué)物理-熱學(xué)D.ppt

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1、熱學(xué)電子教案清華大學(xué)物理系基礎(chǔ)教研室大學(xué)物理第四章熱力學(xué)第二定律4.1自然過(guò)程的方向4.2熱力學(xué)第二定律4.3熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義4.4熱力學(xué)幾率4.5玻耳茲曼熵公式4.6可逆過(guò)程和卡諾定律4.7克勞修斯熵公式4.8熵增加原理4.9溫熵圖4.10熵和能量退化4.1自然過(guò)程的方向只滿足能量守恒的過(guò)程一定能實(shí)現(xiàn)嗎？功熱轉(zhuǎn)換m通過(guò)摩擦而使功變熱的過(guò)程是不可逆的（irreversible）；或，熱不能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為功；或，唯一效果是熱全部變成功的過(guò)程是不可能的。功熱轉(zhuǎn)換過(guò)程具有方向性。熱量由高溫物體傳向

2、低溫物體的過(guò)程是不可逆的；或，熱量不能自動(dòng)地由低溫物體傳向高溫物體。氣體的絕熱自由膨脹（Freeexpansion）氣體向真空中絕熱自由膨脹的過(guò)程是不可逆的。非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過(guò)程是不可逆的不可逆的自動(dòng)地一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的。熱傳導(dǎo)（Heatconduction）4.2熱力學(xué)第二定律（Thesecondlawofthermodynamics）與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程的不可逆性宏觀過(guò)程的方向性自然宏觀過(guò)程按一定方向進(jìn)行的規(guī)律就是熱力學(xué)第二定律怎樣精確表述？各種自然的能實(shí)現(xiàn)的宏觀

3、過(guò)程的不可逆性是相互溝通的例：功變熱熱傳導(dǎo)假設(shè)，熱可以自動(dòng)轉(zhuǎn)變成功，這將導(dǎo)致熱可以自動(dòng)從低溫物體傳向高溫物體。TWT0T0T>T0TW所有宏觀過(guò)程的不可逆性都是等價(jià)的。熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自動(dòng)地由低溫物體傳向高

4、溫物體。熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文--普朗克表述：其唯一效果是熱全部變成功的過(guò)程是不可能的。單熱源熱機(jī)是不可能制成的。（熱機(jī)的工質(zhì)是做循環(huán)）TTTW反之自動(dòng)被壓縮4.3熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義自然過(guò)程總是按有序變無(wú)序的方向進(jìn)行。例：功熱轉(zhuǎn)換例：氣體的絕熱自由膨脹涉及到大量粒子運(yùn)動(dòng)的有序和無(wú)序，故，熱力學(xué)第二定律是一條統(tǒng)計(jì)規(guī)律。布朗運(yùn)動(dòng)有時(shí)4個(gè)粒子全部在A內(nèi)AB漲落大時(shí)不遵循該規(guī)律，如：4.4熱力學(xué)幾率（Probability）平衡態(tài)的宏觀（Macroscopic）參量不隨時(shí)間變化，然而，從微觀（Mi

5、croscopic）上來(lái)看，它總是從一個(gè)微觀狀態(tài)變化到另一個(gè)微觀狀態(tài)，只是這些微觀狀態(tài)都對(duì)應(yīng)同一個(gè)宏觀狀態(tài)而已。這樣看來(lái)，系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀描述是粗略的。什么是宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)微觀狀態(tài)？例：理想氣體處于平衡態(tài)例：理想氣體處于非平衡態(tài)T1T2T2T1左4，右0，狀態(tài)數(shù)1；左3，右1，狀態(tài)數(shù)4左2，右2狀態(tài)數(shù)6左0，右4，狀態(tài)數(shù)1；左1，右3，狀態(tài)數(shù)4左4，右0，狀態(tài)數(shù)1；左3，右1，狀態(tài)數(shù)4左0，右4，狀態(tài)數(shù)1；左1，右3，狀態(tài)數(shù)4左2，右2，狀態(tài)數(shù)6假設(shè)所有的微觀狀態(tài)其出現(xiàn)的可能性是相同的。4粒子情況

6、，總狀態(tài)數(shù)16，左4右0和左0右4，幾率各為1/16；左3右1和左1右3，幾率各為1/4；左2右2，幾率為3/8。對(duì)應(yīng)微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)其出現(xiàn)的幾率最大。兩側(cè)粒子數(shù)相同時(shí)，Ω最大，稱為平衡態(tài)；但不能保證兩側(cè)粒子數(shù)總是相同，有些偏離，這叫漲落（Fluctuation）。N粒子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差或漲落為N，相對(duì)變化只有1/N。通常粒子數(shù)目達(dá)1023，再加上可用速度區(qū)分微觀狀態(tài)，或可將盒子再細(xì)分（不只是兩等份），這樣實(shí)際宏觀狀態(tài)它所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)目非常大。無(wú)論怎樣，微觀狀態(tài)數(shù)目最大的宏觀狀態(tài)是平衡態(tài)

7、，其它態(tài)都是非平衡態(tài)，這就是為什么孤立系統(tǒng)總是從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過(guò)渡。N=1023，微觀狀態(tài)數(shù)目用Ω表示，則ΩN/2Nn（左側(cè)粒子數(shù)）n4.5玻耳茲曼熵（Entropy）公式非平衡態(tài)到平衡態(tài)，有序向無(wú)序，都是自然過(guò)程進(jìn)行的方向，隱含著非平衡態(tài)比平衡態(tài)更有序，或進(jìn)一步，宏觀狀態(tài)的有序度或無(wú)序度按其所包含的微觀狀態(tài)數(shù)目來(lái)衡量。因微觀狀態(tài)數(shù)目Ω太大，玻耳茲曼引入了另一量，熵：普朗克定義單位J/K系統(tǒng)某一狀態(tài)的熵值越大，它所對(duì)應(yīng)的宏觀狀態(tài)越無(wú)序。孤立系統(tǒng)總是傾向于熵值最大。熵是在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)

8、用最廣泛的概念之一。4.6可逆過(guò)程和卡諾定律(ReversibleprocessandCarnot'stheorem)實(shí)際熱過(guò)程的方向性或不可逆性，如功變熱，等?？赡孢^(guò)程？盡管實(shí)際不存在，為了理論上分析實(shí)際過(guò)程的規(guī)律，引入理想化的概念，如同準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程一樣。氣體膨脹和壓縮u無(wú)摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程外界壓強(qiáng)總比系統(tǒng)大一無(wú)限小量，緩緩壓縮；假如，外界壓強(qiáng)總比系統(tǒng)小一無(wú)限小量，緩緩膨脹。一個(gè)過(guò)程進(jìn)行時(shí)，如果使外界條件改變一無(wú)窮小的量，這個(gè)過(guò)程就可以反向進(jìn)行（其結(jié)果是系統(tǒng)和外界能同時(shí)回到初態(tài)），則這個(gè)過(guò)程就叫做