热力学第二定律的本质及熵的统计意义

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§2.6 热力学第二定律的本质及熵的统计意义
本节要目
热力学概率和数学概率 熵的物理意义、 熵的物理意义、热力学第二定律的本质
一、热力学概率和数学概率
几率:某种事物出现的可能性。 几率:某种事物出现的可能性。 热力学几率: 热力学几率:就是实现某种宏观状态的微观状 态数,通常用“Ω”表示。 表示。 态数,通常用“ 表示 数学几率:是热力学概率与总的微观状态数之比 数学几率:是热力学概率与总的微观状态数之比, 通常用“P”表示
2. 等T,V , -dA≥
δW
'
→ dA≤
δ W '
W'非体积功 非体积功
-A≥W'
→ A≤-W'
在等温等容过程中, 在等温等容过程中,一封闭体系功函的减少等于 体系所能作的最大非体积功 3.等T,V,W`=0 等 , , = -A≥0 A≤0 在等温等容且不作非体积功的条件下, 在等温等容且不作非体积功的条件下, A=0,过程可逆 = , A<0, 过程不可逆 ,
亥姆霍兹的趣闻轶事
亥姆霍兹是19世纪一位“万能”博士,一身兼任生理 学家、物理学家、数学家以及机智的实验家等多种头 衔。当他开始研究物理学的时候,已经是这个世纪最 有成就的生理学家之一,以后他又成了这个世纪最伟 大的物理学家之一。可是他又发现,要研究物理学不 能不掌握数学,就又研究数学,成为这个世纪最有成 就的数学家之一。” 但需指出的是,他在哲学上是机械唯物论者,企图把 一切运动归结为力学。这是当时文化、社会、历史的 条件给予他的限制。
§2-7 亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能
一、亥姆霍兹自由能 热力学第二定律: 热力学第二定律: 热力学第一定律: 热力学第一定律:
dS
δQ
T环
≥0
δ Q = dU δ W -(dU- -( -T环dS)≥ δ W )
-d(U-TS)≥ ( - )
Twk.baidu.com=T2=T环 令:
A ≡ U TS
δW
A:亥姆霍兹自由能 亥姆霍兹自由能
3)H2O(l)与H2O(g)的S比较 ) 与 的 比较 由无序运动的程度 比较混乱度: 比较混乱度:Sm(g)> Sm(l) 混乱度越大,其熵值越大;反之,熵值越大, 混乱度越大,其熵值越大;反之,熵值越大,混 乱度也越大。 乱度也越大。 一切自发过程都是向混乱度增加方向进行 第二定律又与熵函数有关 熵函数是体系混乱度的一种度量 S的大小反映了体系内部大量质点运动的混乱程度
吉布斯的生平简介
美国物理化学家吉布斯,1839年2月11日生于康涅狄 格州的纽黑文。父亲是耶鲁学院教授。1854-1858年 在 耶鲁学院学习。学习期间,因拉丁语和数学成绩 优异曾数度获奖。1863年获耶鲁学院哲学博士学位, 留校 任助教。1866-1868年在法、德两国听了不少著 名学者的演讲。1869年回国后继续任教。1870年后任 耶鲁学 院的数学物理教授。曾获得伦敦皇家学会的 科普勒奖章。1903年4月28日在纽黑文逝世
亥姆霍兹的科学贡献 发现能量守恒定律
亥姆霍兹的生平简介
亥姆霍兹,H.von (Hermann von Helmholtz 1821~ 1894) 德国物理学家、生理学家。1821年10月31日生于 柏林的波茨坦。中学毕业后由于经济上的原因未能进 大学,以毕业后需在军队服役8年的条件取得公费进了 在柏林的王家医学科学院。1842年获得医学博士学位 后,被任命为驻波茨坦驻军军医,1849年他应聘任柯 尼斯堡大学生理学和普通病理学教授。1858年任海德 尔堡大学生理学教授。1871年接替马格诺斯任柏林大 学物理学教授。1873年当选为英国伦敦皇家学会的外 国会员,被授予柯普利奖章。1882年受封爵位。1887 年被任命为新成立的柏林夏洛滕堡物理技术学院院长。 1894年9月8日在夏洛滕堡逝世。
二、吉布斯自由能
-d(U-TS)≥ ( - )
δW
-d(U-TS) ≥-δW体 -δW` ( ) 若p1=p2=p外=p, δW体=-pdV , -d(U-TS) ≥pdV -δW` ( ) -d(U+pV-TS ) ≥-δW` ( -d(H-TS) ≥ -δW` ( ) 令 G≡H-TS - G吉布斯自由能 吉布斯自由能
波兹曼的生平简介
(1844-1906)奥地利物 波兹曼 Ludwig Boltzmann (1844-1906) 理学家,发展并推进了热力学理论、气体运动理 论。 Boltzmann 假设气体的运动取决于其原子或 分子的运动。 状态。 在热力学第二定理的基础上,他 以数学公式论证了气体最常见的状态是它的平衡
数学概率的数值总是从0→1 数学概率的数值总是从
二、熵的物理意义、热力学第二定律的本质
宏观状态实际上是大量微观状态的平均, 宏观状态实际上是大量微观状态的平均,自 发变化的方向总是向热力学概率增大的方向进行 的方向总是向热力学概率增大的方向进行。 发变化的方向总是向热力学概率增大的方向进行。 这与熵的变化方向相同。 这与熵的变化方向相同。 另外, 另外,热力学概率 和熵 S 都是热力学 的函数, 能U,体积 V 和粒子数 N 的函数,两者之间必 定有某种联系,用函数形式可表示为: 定有某种联系,用函数形式可表示为:
例如: 个小球分装在两个盒子中, 例如:有4个小球分装在两个盒子中,总的分 个小球分装在两个盒子中 装方式应该有16种 因为这是一个组合问题, 装方式应该有 种。因为这是一个组合问题,有如 下几种分配方式,其热力学概率是不等的。 下几种分配方式,其热力学概率是不等的。 分配方式
(4, 0) (3,1)
J/K.mol
2.同一物质的气、液、固三态相比较,其混乱度递减,其摩尔熵 同一物质的气、 同一物质的气 固三态相比较,其混乱度递减, 值递减。 值递减。
S气 > S液 > S固
CH3OH(g) 237.65 I2(g) 260.58
CH3OH(l) 126.78 I2(s) 116.73
3.一般说来,一个分子中的原子数越多,其混乱度就 一般说来,一个分子中的原子数越多, 一般说来 越大,其熵值也越大。 越大,其熵值也越大。
2)、气体混合过程的不可逆性 )、气体混合过程的不可逆性
放在一盒内隔板的两边,抽去隔板, 将N2和O2放在一盒内隔板的两边,抽去隔板, 自动混合,直至平衡。 N2和O2自动混合,直至平衡。 这是混乱度增加的过程,也是熵增加的过程, 这是混乱度增加的过程,也是熵增加的过程, 是自发的过程,其逆过程决不会自动发生。 是自发的过程,其逆过程决不会自动发生。
CH4 186.19 C2H6 229.49 C3H8 269.91 C10H22 540.53
4、对于气相化学反应,一般来说,分解反应由于质点数目增多 、对于气相化学反应,一般来说, 而混乱度增大,其熵值也增大。 而混乱度增大,其熵值也增大。
CH3OH(g)→HCHO(g) + H2 (g)
△rSm = 111.59J/K.mol
熵函数是体系混乱度的一种量度。
S的大小反映了体系内部大量质点运动的 混乱程度
例如: 例如:1)热传导过程
处于高温时的体系,分布在高能级上的分子 处于高温时的体系,分布在高能级上的分子 高温时的体系 高能级 数较集中; 数较集中; 而处于低温时的体系,分子较多地集中在低 而处于低温时的体系,分子较多地集中在低 低温时的体系 能级上。 能级上。 当热从高温物体传入低温物体时, 当热从高温物体传入低温物体时,两物体各 能级上分布的分子数都将改变, 能级上分布的分子数都将改变,总的分子分布的 花样数增加,是一个自发过程,而逆过程不可能 花样数增加,是一个自发过程, 自发过程 自动发生。 自动发生。
亥姆霍兹的生平简介
亥姆霍兹对物理学的主要贡献是发现了能量守恒 定律。亥姆霍兹认为永动机是不可能实现的。他 把自己的观点加以整理,写成《论力的守恒》一 文,送到德国《物理学年鉴》。它遭到了同迈尔 论文一样的厄运,被主编波根道夫退了回来。 1847年7月23日,亥姆霍兹在柏林物理学会的一 次讲演中报告了这篇论文。他全面阐述了能量守 恒和转换来表示“活力”,也就是现在所说的动 能。这篇论文表明,亥姆霍兹是能量守恒定律的 创立者之一。
-dA≥
δ W
-A≥ - W
→ dA≤ δ W → A≤W
AT=WR AT<-WIR
1. 等T, A≤-W , A= W = 为可逆 A< W 为不可逆
等温可逆过程中体系作最大功 A物理意义:等温过程中,一封闭体系功函的 物理意义:等温过程中, 物理意义 减少等于体系所能作的最大功。 减少等于体系所能作的最大功。
系统的混乱度越高, 系统的混乱度越高,则熵值越大
1、同一物质当温度升高时,其混乱度增大,因此熵值也增大 、同一物质当温度升高时,其混乱度增大, 298K H2O(g) 188.74 C2H4(g) 219.45 400K 198.61 233.84 500K 208.49 246.77 1000K 232.62 301.50
吉布斯的生平简介
Glbbs的工作多年没有得到人们的重视,他本人 应承担主要责任。他从来不愿化费一点力气宣传 他自己的工作;康乃狄格科学院院报远非当时第 一流期刊。Gibbs属于那种似乎内心并不要求得到 同时代的人承认的罕见的人物中的一个。他对于 能够解决自己脑海中所存在的问题便感到满足, 一个问题解决之后,接着他又着手思考另一个问 题,而从来不愿想一想别人是否了解他究竟做了 些什么。
S = S ( )
Boltzmann公式 1. Boltzmann公式
Boltzmann认为这个函数应该有如下的对数形式:
S = k ln
这就是Boltzmann公式,式中 k 是Boltzmann常数。 因熵是容量性质,具有加和性,而复杂事件 的热力学概率应是各个简单、互不相关事件概率 的乘积,所以两者之间应是对数关系。 Boltzmann公式把热力学宏观量 S 和微观量概 率 联系在一起,使热力学与统计热力学发生了 关系,奠定了统计热力学的基础。
吉布斯的生平简介
1876年Gibbs在康乃狄格科学院院报上发表了题 为《论非均相物质之平衡》 著名论文的第一部份。 当这篇论文于1878年完成时(该文长达323页), 化学热力学的基础也就奠定了。这篇论文首次提 出了我们在本章用来讨论反应自发性的最大功和 自由能的概念。其中还包括我们将在第十五章讨 论的有关化学平衡的各种基本原理。文章还应用 热力学定律阐明了相平衡原理(第十一章)、稀 溶液定律(第十二章)、表面吸附的本质(第十 六章)以及伏打电池中支配能量变化的数学关系 式(第二十二章)。
分配微观状态数
(4, 0) = C44 = 1 3 (3,1) = C4 = 4
(2, 2)
(2, 2) = C42 = 6
1 (1,3) = C4 = 4 0 (0, 4) = C4 = 1
(1, 3) (0, 4)
其中,均匀分布的热力学概率 (2, 2) 最大, 为6。 如果粒子数很多,则以均匀分布的热力学概 率将是一个很大的数字。 每一种微态数出现的概率都是1/16,但以(2,2) ,但以( , ) 每一种微态数出现的概率都是 均匀分布出现的数学概率最大, 均匀分布出现的数学概率最大,为6/16, ,
2、热力学第二定律的本质: 热力学第二定律的本质: 一切不可逆过程都与热功交换的不可逆相联系 ——希望热全部转换为功 希望热全部转换为功, ——希望热全部转换为功,但办不到 热——是分子混乱运动的一种形式 ——是分子混乱运动的一种形式 布朗运动,无规则, 布朗运动,无规则,无序运动 功——是分子有规则的运动,有序运动 ——是分子有规则的运动, 是分子有规则的运动 热功转变时, 热功转变时,即有序与无序运动的转变 混乱度只会增加, 混乱度只会增加,直到混乱度达到最大值
吉布斯的生平简介
说明: ) 为状态函数 容量性质, 为状态函数, 说明:a)A为状态函数,容量性质,绝对值未 单位: , 知,单位:J,kJ b)等T,等T,V条件下的可逆判据 ) , , 条件下的可逆判据 等T,- ,-A≥W ,- :-A≥W` 等T,V:- , :- 等T,V,W`= 0:-A≥0 , , :
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