第十章 热力学定律

热学过程的方向性（实例）
1、热传导的方向性
2、机械能和内能的转化有方向性
机械能可以全部转化成内 能，但内能却不能全部转化成 机械能，同时不引起其他变化。 3、扩散现象有方向性 “气体向真空中绝热自由 膨胀的过程是不可逆的”
A
B
第一类永动机和第二类永动机比较
它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能量守恒
思考与讨论
《书》P57
概括：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即 与热现象有关的宏观自然过程具有方向性，这些过程的逆 过程不可能实现 . 在物理学中，反映与热现象有关的宏观 自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律.
一、热力学第二定律
表述一：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 阐述传热的方向性 －－克劳修斯表述
一、热力学第二定律
表述一：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 表述二：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功， 而不产生其他影响。 －－第二类永动机不可能制造成功
思考与讨论 《书》P60
不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最 低温度还低，从而获得机械功。 两种表述是等价的：可以从一种表述导出另一种表述，两种表 述都称为热力学第二定律 热力学第二定律的意义 1）提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力 学第一定律的一个重要自然规律． 2）对生活实践的指导作用．
§10.6
能源和可持续发展
Why 2012· 08· 24
一、能量耗散和品质降低
1.能量耗散：集中度较高且有序度较高的能量 (如机械能、电 能、化学能等)，当它们变为环境的内能后，就成为更加分 散且无序度更大的能量，我们无法把这些分散的内能重新收 集起来加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散.
一、能量耗散和品质降低
＋（系统内能增加）
－（系统内能减少）
做功W
热量Q 内能的改变ΔU
外界对系统做功
系统吸热 内能增加
系统对外界做功
系统放热 内能减少
二、能量守恒定律
能 量 既不 会 凭 空产生，也不会凭 空消失，它只能从 一种形式转化为另 一种形式，或者从 一个物体转移到别 的物体，在转化或 转移的过程中其总 量不变。
2.品质降低：各种形式的能量向内能的转化，是微观领域内无序 程度较小向无序程度较大的转化，是能够自动发生、全额发生 的.而内能向机械能的转化过程，由热力学第二定律知道，这种 转化是有条件的，即环境中必须存在着温度差，而且内能不能 全额转化为机械能.因此，从可被利用的价值来看，内能较之机 械能、电能等，是一种低品质的能量。
二、能源与人类社会发展
能源是社会存在与发展永远不可或缺的必 需品，是国民经济运动的物质基础，它与材料 、信息构成现代社会的三大支柱.
三、能源与环境
化石能源： 人们把煤、石油叫做化石能源. (1)化石能源的储藏是有限的. (2)化石能源的大量消耗带来的环境问题： ①温室效应： ②酸雨： ③光化学烟雾： 另外常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污 染.
根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动 有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其 粒子热运动的无序性达到极高程度，使其熵值达到最大值.
热力学第二定律的统计表述： 在任何自然过程中，一个孤立系统的熵总不会减小. －－熵增加原理 在自然过程中熵总是增加的，其原因并非因为有序是 不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道 多得多.把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐 的方式多得多.
二、热力学第二定律的Fra Baidu bibliotek观意义
分布 详细分布 （宏观态） （微观态）
http://v.youku.com/v_show/id_XMTIxMjQ3OTcy.html
－－事例：气体向真空的扩散
Ω
1 4
6
4
1
热力学第二定律的微观解释： 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.
二、热力学第二定律的统计意义
http://lms.hanluninfo.com/modx/index.php?id=12909
热传递有三种方式：传导、对流和辐射。 传导：热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低 对流：靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流。 辐射：热由物体沿直线向外射出，叫做辐射。
§10.1～2 功、热和内能
演示
在有机玻璃筒底放置少量易燃物，例 如硝化棉，或浸过乙醚的棉花、火柴头等。 迅速压下筒中的活塞，观察筒底物品的变 化。 这个实验说明了什么？
结论：做功使得物体（密闭气体）温度升高
一、焦耳的实验
背景： 19世纪30年代以来，大家认识到做功和 传热都可以改变系统的热学状态。焦耳力求 寻找二者的定量关系（已有猜想）。
实验一：重物下落搅动水，做功
－－重力功
【实验结论】
只要重力所做的功相同，容器 内水温上升的数值都是相同的，即 系统状态的变化是相同的。
实验二：重物下落带动发电机，用电流对水加热 －－电功
【实验结论】 只要所做的电功相等，则系统 温度上升的数值是相同的，即系统 的状态变化是相同的。
结论：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2， 所需外界做功的数量是相同的，与做功快慢、做功方式无关。 分析：存在一个只依赖系统自身状态的物理量，它的单位与能量 （功）相同，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程 中对系统做的功相联系。
四、开发的新能源
开发的新能源主要有下列几种： 太阳能、生物质能、风能、水能等.
四、开发的新能源
开发的新能源主要有下列几种： 太阳能、生物质能、风能、水能等.
四、开发的新能源
http://res.tongyi.com/resources/article/student/others/0118/c3/1.htm
做功是内能和其他形式的能发生 转化。 热传递是不同物体或同一物体不 同部分内能的转移。
§10.3热力学第一定律 能量守恒定律
Why 2012· 08· 22
一、热力学第一定律
1、表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递 的热量与外界对它所做的功的和．
2、表达式：ΔU＝Q＋W 思考与讨论 《书》P54
(1)熵的概念：
物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的 数目，用字母S表示熵，有：S=kLnΩ (2)熵的意义： 熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的 程度. 熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序； 熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小.
二、热力学第二定律的统计意义
E E K E P f ( N , T ,V )
二、内能
3、改变方式： 做功和热传递
（1）在绝热过程中： △U （＝U2－U1 ）＝W
外界对系统所做的功是系统内能变化的量度
（2）在等V过程中：
△U （＝U2－U1 ）＝Q
外界对系统所传的热量是系统内能变化的量度 说明 做功和热传递在改变物体的内 能（的结果）上是等效的，但是它 们还是有（本质上的）重要区别。
“自发”指的是没有任何外界的影响或帮助。
了解
一、热力学第二定律
热机能流图的工作过程及能流
內燃機︰最高效率為30%
一、热力学第二定律
理想热机能流图
热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决与热源 的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能的达到 100%。即 热量不能完全转化为功。 表述二：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不 产生其他影响。 －－开尔文表述 阐述机械能和内能的转化的方向性 机械能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成机 械能，同时不引起其他变化。
《书》P61“思考与练习”（2、3）
§10.5
热力学第二定律 的微观解释
Why 2012· 08· 24
一、有序和无序 宏观态和微观态
1.有序和无序
确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合 确定的规则和要求的分布是无序的.
有序和无序是相对的。
2.宏观态和微观态
规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个 “宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观 态”对应的“微观态”的个数不同. 如果一个“宏观态”，对应的“微观态”比较多，就说 这个“宏观态”是比较无序的.
定义：鉴于功是能量变化的量度，定义了内能。
二、内能
1、定义： 在热力学系统的绝热过程中，由于外界对系统所做的 功而导致改变的由系统自身状态所决定的物理量。 －－热力学定义
微观 解释
组成物体的所有分子的动能与分子势能的总和。 －－动理论定义 2、决定因素： 由系统自身状态所决定：物质的量、温度和体积。
定律；第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背 了跟热现象相联系的宏观过程具有方向性的自然规律。
热力学第一定律和热力学第二定律
热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识 的理论基础，前者对自然过程没有任何限制，只指出在任
何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，反映的是物 体内能的变化与热量、做功的定量关系；后者则是解决哪 些过程可以自发地发生，哪些过程必须借助于外界条件才 能进行。
用“熵”理解热力学第二定律的两种表述
在任何自然过程中，一 个孤立系统的熵总不会减小.
1. 解释热传递的方向性：
一切自然过程总是向着分子热运 动的无序性增大的方向进行的.
2. 解释机械能与内能转化的方向性： 机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会 导致熵的增加，符合热力学的规律，因此机械能可以全部转化 为内能.反之，热运动向机械运动的转化，属于从无序向有序的 转换，即从高熵向低熵转换，不符合熵增加原理，因此内能向 机械能的转化不能全部实现，而不产生其他影响.
三、永动机不可能制成
不消耗能量而能永远对外 做功的机器，它违反了能量守 恒定律，故称为“第一类永动 机”。
http://se.risechina.org/kxwh/kxsh/200810/1916.html
《书》P51“做一做” 《书》P52“思考与练习”（3） 《书》P56“思考与练习”（1、2）
§10.4
热力学第二定律
Why 2012· 08· 22
http://m.anoah.com/app/sltd/?c=main&a=lastnode&knowapplyid=6590&prename=4+%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E5%AE%9A%E5%BE%8B