不可逆过程热力学简介
热力学第二定律熵和不可逆过程的关系
热力学第二定律熵和不可逆过程的关系热力学是研究能量转化和传递的学科，而热力学第二定律是描述自然界中能量传递方向的法则。
在热力学第二定律中，熵被引入作为一个重要的概念，用来衡量系统的无序程度。
熵的增加与不可逆过程密切相关。
本文将讨论热力学第二定律熵和不可逆过程之间的关系。
一、熵的概念和熵增定律熵是热力学中一个非常重要的概念，代表了系统的无序程度。
熵通常用符号S表示，单位是焦耳/开尔文（J/K）。
熵增定律是热力学第二定律的数学表述，表明在孤立系统中，熵总是增加的，而不会减少。
这与我们日常生活中观察到的现象是一致的，例如持续发生的自然界的无序现象，如茶渐渐冷却、水流自然而下的过程等。
二、熵增定律与不可逆过程在热力学中，不可逆过程是指无法逆转的过程。
熵增定律与不可逆过程相关联，因为在不可逆过程中，系统的熵总是增加的。
这可以通过以下两种观点来解释。
1. 微观角度：熵的统计解释微观层面上，熵有一个统计解释，即系统的熵与系统的微观状态数目成正比。
在不可逆过程中，系统的微观状态数目会减少，因此系统的熵会增加。
这是由于不可逆过程中，系统会经历一系列无序化的变化，而导致系统排列组态数目的减少，即系统的微观状态数目的减少。
当系统微观状态数目减少时，系统的熵必然增加。
2. 宏观角度：熵增代表能量无法完全转化为有用功从宏观角度考虑，熵增代表了能量无法完全转化为有用功，而有部分能量转化为热量的过程。
在不可逆过程中，能量会以一种高度分散的方式传递，从而使得能量无法进行有效的转化。
这导致系统的有序程度降低，即系统的熵增加。
三、熵增与不可逆过程的实例下面通过几个具体的实例来说明熵增与不可逆过程的关系。
1. 理想气体的自由膨胀考虑一个理想气体在一个绝缘容器中自由膨胀的过程。
在这个过程中，气体会从高压区域自发地流向低压区域，容器内部的气体分子会均匀地分布在整个容器中。
这个过程是不可逆的，因为无法将气体分子重新聚集到一个小区域内。
根据熵增定律，由于气体的分子在整个容器中均匀分布，系统的无序程度增加，即熵增加。
04 不可逆过程的热力学
② 同时这些微体积内包含的微观粒子要 足够多，使得经典热力学的统计处理仍然适用；
③ 距离平衡态不远，即不均匀性不大。 满足上述三个条件时，我们可将局部区 域的子系统看作是平衡的，这便是局域平衡的 概念。
二、非平衡热力学状态函数
1、广延参数的表示
Q在体系中各点的密度用表示， 是t和r的函数：
= (t, r)
(1)
体系的守恒量Q是对整个体系的积分值：
Q(t)=V (t,r) dV
(2)
另：
Q是一守恒量，其变化的唯一途径是通过体系的边界与环境
发生交换，在单位时间内，Q的变化等于流jQ(t,r)对边界面
的积分：
dQ
dt
jQ (t,r )d
(3)
组分i的摩尔数变化可以表示为：
dni dini deni dt dt dt
dini : i组分在时刻t,处于r处的物质流 dt deni : 化学反应对ni变化的贡献 dt
1）. 因交换过程引起的体系质量变化:
deni dt
ji (t, r )
(7)
ji (t, r ) : i组分在t时刻具有的物质流. (mol/时间.面积)
jQ (t, r ) : 体系中某一点具有的流密度
其符号的选取是：由体系流向环境的值为正。
由Gauss定律，封闭边界的面积分等于散度的体积分：
dQ
dt
V
jQ (t,r )dV
(4)
散度div的定义是：
divA A A1 A2 A3 x y z
( A A1i A2 j A3k )
考虑单位体积中的熵变:
ds 1 de p dv 1
熵产生原理与不可逆过程热力学简介
熵产生原理与不可逆过程热力学简介一、熵产生原理（Principle of Entropy-Production ）熵增加原理是热力学第二定律的熵表述。
而这个原理用于判断任一给定过程能否发生，仅限于此过程发生在孤立体系内。
而对于给定的封闭体系中，要判断任一给定的过程是否能够发生，除了要计算出体系内部的熵变，同时还要求出环境的熵变，然后求总体的熵变。
这个过程就相当于把环境当成一个巨大的热源，然后与封闭体系结合在一起当成孤立体系研究。
但是一般来说，绝对的孤立体系是不可能实现的。
就以地球而言，任何时刻，宇宙射线或高能粒子不断地射到地球上。
另外，敞开体系也不能忽视，就以生物体为例，需要不停地与环境进行物质交换，这样才能保证它们的生存。
1945年比利时人I. Prigogine 将热力学第二定律中的熵增加原理进行了推广，使之能够应用于任何体系（封闭的、敞开的和孤立的）。
任何一个热力学体系在平衡态时，描述系统混乱度的状态函数S 有唯一确定值，而这个状态函数可以写成两部分的和，分别称为外熵变和内熵变。
外熵变是由体系与环境通过界面进行热交换和物质交换时进入或流出体系的熵流所引起的。
熵流（entropy flux ）的概念把熵当作一种流体，就像是历史上曾经把热当作流体一样。
内熵变则是由于体系内部发生的不可逆过程（例如，热传导、扩散、化学反应等）所引起的熵产生（entropy-production ）。
由上述的概念，可以得到在任意体系中发生的一个微小过程，有：S d S d dS i e sys +==S d T Qi +δ (1-1)，式中S d e 代表外熵变，S d i 代表内熵变。
这样子就将熵增加原理推广到了熵产生原理。
而判断体系中反应的进行，与熵增加原理一致，即0≥S d i （> 不可逆过程；= 可逆过程） (1-2)而文字的表述就是：“体系的熵产生永不为负值，在可逆过程中为0，在不可逆过程中大于0”。
熵产生原理与不可逆过程热力学简介
熵产生原理与不可逆过程热力学简介一、熵产生原理（Principle of Entropy-Production ）熵增加原理是热力学第二定律的熵表述。
而这个原理用于判断任一给定过程能否发生，仅限于此过程发生在孤立体系内。
而对于给定的封闭体系中，要判断任一给定的过程是否能够发生，除了要计算出体系内部的熵变，同时还要求出环境的熵变，然后求总体的熵变。
这个过程就相当于把环境当成一个巨大的热源，然后与封闭体系结合在一起当成孤立体系研究。
但是一般来说，绝对的孤立体系是不可能实现的。
就以地球而言，任何时刻，宇宙射线或高能粒子不断地射到地球上。
另外，敞开体系也不能忽视，就以生物体为例，需要不停地与环境进行物质交换，这样才能保证它们的生存。
1945年比利时人I. Prigogine 将热力学第二定律中的熵增加原理进行了推广，使之能够应用于任何体系（封闭的、敞开的和孤立的）。
任何一个热力学体系在平衡态时，描述系统混乱度的状态函数S 有唯一确定值，而这个状态函数可以写成两部分的和，分别称为外熵变和内熵变。
外熵变是由体系与环境通过界面进行热交换和物质交换时进入或流出体系的熵流所引起的。
熵流（entropy flux ）的概念把熵当作一种流体，就像是历史上曾经把热当作流体一样。
内熵变则是由于体系内部发生的不可逆过程（例如，热传导、扩散、化学反应等）所引起的熵产生（entropy-production ）。
由上述的概念，可以得到在任意体系中发生的一个微小过程，有：S d S d dS i e sys +==S d T Qi +δ (1-1)，式中S d e 代表外熵变，S d i 代表内熵变。
这样子就将熵增加原理推广到了熵产生原理。
而判断体系中反应的进行，与熵增加原理一致，即0≥S d i （> 不可逆过程；= 可逆过程） (1-2)而文字的表述就是：“体系的熵产生永不为负值，在可逆过程中为0，在不可逆过程中大于0”。
热统课件
Jq A B Je
珀尔贴系数：取决于两种金属的性质，并 与温度有关
3、汤姆孙效应（1854年发现）
当电流通过具有温度梯度的均匀导体时，除了 放出焦耳热外，导体还要放出另外的热量，称为汤 姆孙热.
在单位时间内，单位体积的导体放出的汤姆孙热 为：
q J T e
汤姆孙系数：与导体性质和温 度有关
热流与温度梯 度成正比
Jq T
2、扩散过程的菲克定律
粒子流与浓度 梯度成正比
Jn D n
3、导电过程的欧姆定律
J E V e
电流与电势梯度 成正比
4、动量输运的牛顿粘滞定律
动量流与流速梯 度成正比
dv Jpxy P xy dx
5、线性唯象律
y
是单位时间内流过单位截 面的熵，称为熵流密度 是单位时间内单位体积中产 生的熵，称为局域熵产生率
整个系统熵的增加率为：
dS d s sd d dt dt t
J d S
利用高斯定理将右边第一项化为面积分，得：
dS J d d S dt
1． 局域平衡，熵流密度与局域熵产生率。 2． 线性与非线性过程，昂萨格关系 。 3* ．温差电现象
教学要求：
了解局域熵产生率，昂萨格关系和用不可逆过程热力 学处理问题的一般程序。
5.1 局域平衡、熵流密度与域局熵产生率
一、热力学第二定律的推广 热力学第二定律不等式 : 推广为：
dS dQ dT
N ni d
(5.1.5)
三、熵流密度和局域熵产生率
讨论熵的变化快慢问题。 1、不可逆过程热力学的建立
d dS d eS iS dt dt dt
不可逆过程热力学理论
不可逆过程热力学理论不可逆过程热力学理论是热力学中的一个重要分支，其研究的是热力学系统内发生的不可逆现象以及相关的热力学性质。
不可逆过程热力学理论的研究对于理解自然界中众多的不可逆现象以及提升工程和技术应用中的能量转化效率具有重要的意义。
不可逆过程是指系统从一个平衡态转变为另一个平衡态的过程中，如果与其它系统或者外界接触，将会引起系统与外界间的能量、质量和动量交换，从而导致系统和外界不可逆的相互作用。
热力学第二定律给出了不可逆过程的现象以及其对应的熵变表达式，即系统熵的增加不可逆性，是不可逆过程的基础。
不可逆过程热力学理论的核心是热力学第二定律，熵的概念扮演了重要的角色。
熵是一个用来描述系统无序程度的物理量，可以理解为一个系统的混乱程度。
熵的增加意味着一个系统朝着更加无序的状态发展，而熵的减少则意味着系统趋向于更加有序的状态。
根据热力学第二定律，任何一个孤立系统的熵都不会减少，而只能增加或者保持不变。
根据热力学第二定律，熵的增加是自然界中不可逆过程的普遍规律。
这种熵的增加与热能的转化损失和散逸有关，说明不可逆过程中存在着能量转化的低效率。
以摩擦力产生的热量为例，其中大部分能量不会转化为有用的功，而是以废热的形式散失到周围环境中，从而增加了系统以及它所处的环境的熵。
不可逆过程热力学理论除了熵的概念，还引入了其他一些相关的量，如化学势、耗散函数等来描述系统的性质。
化学势是一个描述系统中粒子数变化的重要物理量，它对不可逆过程中物质的转化和输运有着重要的作用。
耗散函数是描述系统内部、系统与环境之间能量转化的过程中所损失的能量的函数。
耗散函数的引入极大地提升了对不可逆过程的研究和描述的能力。
不可逆过程热力学理论的研究对于众多领域都具有重要的应用价值。
在工程和技术中，不可逆过程热力学理论可以用来分析和优化能源转化系统的效率，提升能源利用的效率。
此外，不可逆过程热力学理论也可以应用于生物学、化学、地理学等领域中的研究，分析和解释不同过程中的不可逆现象，提供理论支持和指导。
不可逆过程热力学的基础理论及应用
不可逆过程热力学的基础理论及应用热力学是物理学的重要分支之一，它研究的是物质的热现象。
在生产生活中，我们经常需要利用热力学知识来解决各种实际问题。
作为热力学的一个重要分支，不可逆过程热力学是热力学中的研究热现象的一个重要方向。
一、不可逆过程热力学的基础理论不可逆过程热力学是热力学中研究不可逆过程的一门学问。
热力学的基本定律是能量守恒定律和熵增定律。
能量守恒定律是指一个系统中能量的总和是不变的。
熵增定律是指一个封闭系统中，不可逆过程引起的熵增是不可避免的。
为了解释不可逆过程，我们必须引入热力学中的“热力学势”。
在热力学中，我们用能量变化加上各种势引起的效应来描述热现象。
例如，由于压缩会引起一些能量的变化，所以我们必须考虑压力势。
同样，化学反应也会引起能量的变化，所以我们必须考虑化学势。
不可逆过程热力学的基础理论中还有一个非常重要的概念：熵。
熵可以用来度量系统的混乱程度。
换句话说，熵是系统不可逆性的度量。
在任何封闭系统中，熵总是增加的。
这就是热力学中的熵增定律。
二、不可逆过程热力学的应用在实际应用中，不可逆过程热力学是非常重要的。
下面我们来看两个例子。
1.汽车发动机汽车发动机是一个热力学系统。
它把燃料的能量转化为机械能。
发动机的工作过程中，需要做的功就是从燃料中获得能量并将其转化为机械能。
这个过程是可逆的。
但是，在实际应用中，发动机的工作过程中会发生很多不可逆过程，例如摩擦、冷却等。
这些不可逆过程会引起熵的增加，从而降低发动机的效率。
因此，如果我们想让汽车的效率更高，就必须尽量降低不可逆过程的发生。
2.制冷系统冰箱、空调和水冷机等制冷系统也是热力学系统。
它们的主要工作原理是利用制冷剂的相变和热力学循环来达到降温的效果。
这个过程本身是可逆的。
但是，在实际应用中，制冷系统也会发生很多不可逆过程。
例如，在制冷循环中，制冷剂会发生不可逆的摩擦和热传递等过程，从而引起熵的增加。
因此，为了提高制冷系统的效率，我们必须尽量消除不可逆过程。
均相单一化学反应的不可逆过程热力学
均相单一化学反应的不可逆过程热力学热力学是研究能量转化和能量传递的科学，它揭示了自然界中物质和能量变化的规律。
化学反应作为能量转化的重要过程，也遵循热力学的基本原理。
在化学反应中，热力学描述了反应物和生成物之间的能量变化。
通过热力学可以判断反应是否会发生，以及反应的方向。
而不可逆过程则指的是反应无法逆转的过程，即反应只能从反应物向生成物进行，无法逆向进行。
对于均相单一化学反应来说，反应物和生成物处于相同的物理状态，即都是气体、液体或固体。
这种反应通常发生在同一相中，例如气体之间的反应或溶液中的化学反应。
均相单一化学反应的不可逆过程热力学研究的是这类反应中的能量变化和方向性。
我们来介绍化学反应中的能量变化。
根据热力学第一定律，能量在化学反应中是守恒的。
化学反应会涉及到能量的转化，包括放热反应和吸热反应。
放热反应释放出能量，使反应的总能量降低，而吸热反应则吸收外界能量，使反应的总能量增加。
不可逆过程热力学研究的是放热反应和吸热反应中的方向性。
根据热力学第二定律，自发进行的反应具有一定的方向性，即放热反应会自发向放热方向进行，而吸热反应则会自发向吸热方向进行。
这是因为自然趋向于增加熵（混乱度），而放热反应会增加系统的熵，而吸热反应则会减少系统的熵。
不可逆过程热力学还研究了反应的平衡态。
平衡态是指反应物与生成物浓度不再发生变化的状态。
根据热力学第三定律，当温度趋近于绝对零度时，物质的熵趋于零，而在有限温度下，物质的熵不可能达到零。
因此，化学反应在有限温度下通常无法达到完全平衡态。
不可逆过程热力学还考虑了反应的速率。
反应速率受到温度、浓度、催化剂等因素的影响。
不可逆过程热力学研究了这些因素对反应速率的影响，并建立了相应的数学模型来描述反应速率与温度、浓度和催化剂浓度之间的关系。
均相单一化学反应的不可逆过程热力学研究了反应中的能量变化、方向性、平衡态和速率等方面的问题。
通过研究这些问题，可以更好地理解化学反应，并为实际应用中的化学过程提供指导。
《物理学教学课件》8-3 热力学第二定律与不可逆过程15页PPT
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。
“气体向真空中绝热自由 膨胀的过程是不可逆的”
1
8-3 热力学第二定律与不可逆过程
1.若功热转换的方向性消失 热传导的方向性也消失
2.若热传导的方向性消失 功热转换的方向性也消失
10
8-3 热力学第二定律与不可逆过程
四 可逆过程与不可逆过程
可逆过程 : 在系统状态变化过程中，如 果逆过程能重复正过程的每一状态, 而且 不引起其它变化 (系统还原，外界还原)， 这样的过程叫做可逆过程 。
6
8-3 热力学第二定律与不可逆过程
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说法与克劳
修斯说法具有等效性 . 3 热力学第二定律可有多种说法，每
种说法都反映了自然界过程进行的方向性 .
7
8-3 热力学第二定律与不可逆过程
三、两种表述的一致性
高温热源T1
Q
Q1QQ2
热力学第二定律的两种表述
一、 开尔文说法
不可能制造出这样一种 循环工作的热机，它只从单 一热源吸热来做功，而不产 生其它影响（不放出热量给 其它物体，或者说不使外界 发生任何变化） .
高温热源T1
Q W
W
低温热源T2
2
8-3 热力学第二定律与不可逆过程
p
p1
1 (p1,V1,T)
QT
E
W
p2
(p2,V2,T)
W
2
等温膨胀过程是从
热力学知识：热力学中的可逆过程和热不可逆过程
热力学知识：热力学中的可逆过程和热不可逆过程热力学中的可逆过程和热不可逆过程热力学是一门研究热力学系统、热力学宏观性质以及宏观演化规律的学科，热力学系统的运动是由能量和熵这两个概念来描述的。
在热力学中，过程可以分为可逆过程和热不可逆过程。
本文将从这两个方面来介绍热力学中可逆过程和热不可逆过程的概念、特征、应用以及在能源利用方面的问题。
一、可逆过程在热力学中，可逆过程（reversible process）是指将系统从一个平衡状态转化为另一个平衡状态的过程，使系统在整个过程中可逆，即过程可以在任意时间段内反转。
换句话说，可逆过程是能够通过微小的变化来实现状态的逆转。
在可逆过程中，系统中的能量守恒，系统的熵保持不变。
可逆过程具有以下三个特征：1.可逆性：在可逆过程中，熵增加的总量等于零，即系统的熵是不变的。
2.回弹性：如果发生扰动，系统要回到原来的状态，力与位移的乘积负责抵消了失去的能量。
3.经济性：可逆过程的能量损失极小，因为它们是先被吸收然后又被释放的，之间进行循环。
可逆过程适用于理想热机和理想气体的等温和等容过程。
二、热不可逆过程热不可逆过程（irreversible process）是指系统从一个非平衡状态转化到另一个平衡状态的过程，使过程中的能量不仅仅由于热传递而流失，还有其他形式损失，如机械运动、电能、声能等都可能造成。
换句话说，热不可逆过程是一种不可逆转的过程，系统中的熵不断增加。
热不可逆过程具有以下特征：1.时间不可逆性：热不可逆过程是一种有向过程，时间流逝方向不能改变。
2.能量不可恢复性：热不可逆过程导致一部分能量被消耗，不能恢复。
3.热不可逆性：热不可逆过程不能通过温度较低的物体获得能量，因为物体已经到达平衡状态。
热不可逆过程适用于热机和汽车发动机的实际和现实气体过程，可以产生功和效率。
三、应用热力学中的可逆过程和热不可逆过程在生产和制造过程、环境和能源开发方面具有重要应用。
1.生产和制造过程在生产和制造过程中，通过对物质的传递和变换来获得更高的效率和更高的产量，但是这些过程总是会导致能量的消耗和浪费。
熵产生原理与不可逆过程热力学简介
熵产生原理与不可逆过程热力学简介一、熵产生原理(Principl ｅ o ｆ E ｎｔropy —P ｒo ｄuction)熵增加原理是热力学第二定律的熵表述。
而这个原理用于判断任一给定过程能否发生,仅限于此过程发生在孤立体系内。
而对于给定的封闭体系中，要判断任一给定的过程是否能够发生,除了要计算出体系内部的熵变,同时还要求出环境的熵变，然后求总体的熵变。
这个过程就相当于把环境当成一个巨大的热源，然后与封闭体系结合在一起当成孤立体系研究。
但是一般来说,绝对的孤立体系是不可能实现的。
就以地球而言，任何时刻，宇宙射线或高能粒子不断地射到地球上。
另外，敞开体系也不能忽视，就以生物体为例，需要不停地与环境进行物质交换,这样才能保证它们的生存。
19４5年比利时人I. Ｐｒig ｏgine 将热力学第二定律中的熵增加原理进行了推广，使之能够应用于任何体系（封闭的、敞开的和孤立的）.任何一个热力学体系在平衡态时,描述系统混乱度的状态函数S 有唯一确定值,而这个状态函数可以写成两部分的和，分别称为外熵变和内熵变。
外熵变是由体系与环境通过界面进行热交换和物质交换时进入或流出体系的熵流所引起的.熵流(entrop ｙ fl ｕｘ）的概念把熵当作一种流体,就像是历史上曾经把热当作流体一样。
内熵变则是由于体系内部发生的不可逆过程（例如，热传导、扩散、化学反应等）所引起的熵产生(en ｔr ｏpy-production)。
由上述的概念，可以得到在任意体系中发生的一个微小过程，有：S d S d dS i e sys +=＝S d T Qi +δ （1—1）,式中S d e 代表外熵变,S d i 代表内熵变。
这样子就将熵增加原理推广到了熵产生原理.而判断体系中反应的进行，与熵增加原理一致,即0≥S d i （〉 不可逆过程；= 可逆过程） （1—2）而文字的表述就是：“体系的熵产生永不为负值，在可逆过程中为0，在不可逆过程中大于0"。
热力循环中的可逆性与不可逆性
热力循环中的可逆性与不可逆性热力循环是工程热力学中的重要概念，它是从某一温度高度到某一温度低度的过程，其中热量传递的方式包括传导、对流和辐射。
热力循环可以是可逆的或不可逆的，这两种类型的热力循环在工程应用中有着不同的重要性和作用，本文就热力循环中的可逆性与不可逆性进行分析和探讨。
一、可逆热力循环可逆热力循环是指热力学循环中的一个特定类型，它在整个热力学过程中都可逆，即环流过程中是可逆做功的，且热力学系统在热力循环中的所有状态都可以被逆转。
在可逆热力循环中，热力系统被限制在一些特定状态之间，以便使环流过程是可逆的。
例如，卡诺循环是一种以可逆性为基础的循环，它实现了最高效的热力学过程。
在卡诺循环中，工质在一个等温过程中吸热，在一个绝热过程中膨胀，然后在另一个等温过程中放热，在另一个绝热过程中压缩。
在卡诺循环的理想状态下，所有的过程都是可逆的，因此，热力学系统的总熵不变，环流过程能够得到最大的机械功输出。
对于单个可逆热力循环，其效率可以用卡诺效率公式来表示，即ηCarnot = (T1 - T2) / T1，其中T1和T2分别代表工质在高温和低温环境中的温度值。
可逆热力循环在工程应用中具有重要意义，因为它所使用的效率最高。
一些工业领域，如发电站和制冷设备等，依赖于可逆热力循环的高效性能。
然而，在实际操作中，可逆热力循环并不总是实现的，因为它在循环过程中需要非常快速地进行从一个状态到另一个状态的变化，这在实际操作过程中是很难做到的。
二、不可逆热力循环不可逆热力循环是指热力学过程中的一种类型，它在整个热力学过程中不可逆，即环流过程中是不可逆做功的。
在不可逆热力循环中，热力学系统在环流过程中会有一些不可逆性质，例如湍流、摩擦和滞后。
这些不可逆性质在环流过程中导致了热量的浪费，效率不如可逆热力循环高。
例如，开放式循环和半封闭式循环都是不可逆热力循环，它们都是由于热力学系统与外界环境有着持续的热量交换而导致环路过程是不可逆的。
热力学中的可逆过程与不可逆过程
热力学中的可逆过程与不可逆过程热力学是研究能量转化与能量传递的学科，涉及到了许多重要的概念与原理。
其中，可逆过程与不可逆过程是热力学中的两个重要概念，它们对于各个工程领域和自然科学研究都具有重要意义。
本文将就这两个概念进行探讨，旨在深入了解这两个过程的特点与应用。
一、可逆过程可逆过程是指在系统内发生的过程可以在给定的条件下以相同的顺序反转，达到与初始状态完全相同的过程。
简而言之，可逆过程是可逆的，可以在任何时候完全逆转过程而不产生任何不可逆性和额外的能量损失。
在可逆过程中，系统内的能量转化是无损失的。
一个典型的例子是理想气体的绝热膨胀和绝热压缩。
在绝热条件下，理想气体的膨胀和压缩可以看作是两个可逆过程。
在膨胀过程中，理想气体通过缓慢而均匀地将容器的体积扩大，外部环境对气体进行功的做用将气体的压强降低，使气体内部的分子自发地做功，气体的温度下降，最终达到平衡态。
而在绝热压缩过程中，正好相反，气体的体积缩小，温度升高，最终也可以达到平衡态。
整个过程中，无论是膨胀还是压缩，系统内的能量转化都是完全可逆的，没有能量损失。
二、不可逆过程不可逆过程与可逆过程相反，是指系统中发生的不能在给定条件下逆转的过程。
不可逆过程会导致能量的不可逆转化和能量损失。
在不可逆过程中，系统内的能量转化是有损失的。
例如，我们常见的阻力会造成机械系统的损耗。
当我们让车辆在水平面上运动时，车轮与地面之间的摩擦力会导致能量的损耗，这是一个不可逆过程。
无法将已经转化成摩擦热的能量再次转化回机械能。
另外，自然界中的热传导现象也是不可逆过程的一种。
热传导是指高温物体的热能通过接触媒介传递给低温物体的过程，这个过程是无法逆转的。
热传导的性质决定了热能会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会相反。
不可逆过程是现实生活中普遍存在的，它们经常与能量转化和能量损失相关。
不可逆过程是因为存在各种能量转化的限制与损失，无法实现理想化的完全逆转。
三、可逆过程与不可逆过程的应用虽然不可逆过程存在能量转化损失的问题，但在实际应用中，不可逆过程却发挥了重要作用。
教科版高中物理选择性必修第三册第三章第3节热力学第二定律
全部转化（自发） 对第三者有影响
内能（热）
2.注意：在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热源”“不可能”的含义
①“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体 产生影响或借助其他物体提供能量等.
②“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热 力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.
机械能和内能的转化过程具有方向性
自发 全部
自发 全部ຫໍສະໝຸດ 思考：满足能量守恒定律的过程是否都能实现呢?
物体间的传热
温度由高到低
热现象
气体的膨胀 扩散现象
特定的方向
体积由小到大 密度由密到疏
有摩擦的机械运动
由机械能到内能
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，一切与热现象有关的宏观
自然过程都是不可逆的。
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
一辆汽车在水平地面上滑行，由于克服摩擦力做功，最后要停 下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的 温度升高.
我们能不能看到这样的现象：一辆汽车靠降低温度，可以把内 能自发地转化为动能，使汽车运动起来．
有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面 摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动 能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起 其它变化．
Q1
Q1
，热机从热源吸取的热量Q1全部变
成功W，即Q2＝0，该机器唯一的结果就是从单一热源吸取热量全部变成功而不
产生其它影响。此时热机的效率η＝1(100%)， η＝1的热机称为第二类永动机。
4.理解：
热力学知识：热力学中可逆过程和不可逆过程
热力学知识：热力学中可逆过程和不可逆过程热力学是研究热能转化和传递的科学，涉及到能量、功和热量等概念，其中可逆过程和不可逆过程是热力学中重要的两个概念。
在本文中，我们将通过介绍可逆过程和不可逆过程的定义、特点、应用和实例来深入探讨这两个概念。
一、可逆过程可逆过程是指在系统与外界之间进行的能量交换过程中，系统状态可以在任何时候被逆转回来的过程。
具有可逆性是指过程从始至终都在平衡状态下进行，系统对外界和自身的影响不发生永久性、不可逆的变化，也就是说，该过程能够在任意时刻短暂地停止而不影响系统的状态。
可逆过程是一种理想状态，能够充分利用能量，并在最少的热损失下完成能量的转化和传递。
可逆过程的特点如下：1.系统与外界之间完成的能量交换是无限缓慢的，即没有热流或温度梯度的存在。
2.在过程中，系统和外界的量变是绝对平衡的，所以系统处于不变的平衡状态。
3.在可逆过程中，能量转化的总量是不变的，即热能和功相等。
4.可逆过程一般需要调整系统的状态和参数，例如：调节压力、温度、湿度等，以使得系统保持平衡。
可逆过程在工程和科学领域中有广泛的应用。
例如，在汽车引擎中，汽油和空气的混合物燃烧会驱动汽车向前移动，而可逆过程是将这种能量转化过程从内燃机转移到其他设备中，以提高汽车的效率。
在制冷和空调系统中，空气被通过可逆过程的方式制冷，这样系统就可以逆转制冷过程，将热能从室内返还至室外。
可逆过程还被应用于有机化学反应和生产中。
二、不可逆过程不可逆过程是指系统通过与外界交换能量而发生的永久性、不可逆的变化过程，这是一种不完全的过程，它不符合可逆过程的各项条件和特点。
在不可逆过程中，系统无法实现将能量转化为其他形式的最大潜力，也就是说，在能量转化的过程中，总会存在一定程度的能量损耗。
不可逆过程是工程和科学中不可避免的现象，无论是机械运动还是化学反应，都会存在不可逆性。
不可逆过程的特点如下：1.过程中存在着熵的增加，即热能转化为其他形式的能量会破坏系统的有序性，使其更趋于随机性。
不可逆过程热力学理论
热寂说、生物进化，…。
2
★自组织现象
系统内部由无序变为有序使其中大量分子按一定的规律运动的现象
生命过程的自组织现象
► 各种生物都是由各种细胞按精确规律组成的高度有序的机构：
☺人大脑是由150亿个左右神经细胞组成的极精密及有序组织；
第五章 不可逆过程热力学简介
1
§5-1 概 述
自然界的一切实际过程都是不可逆的。不可逆过程 并不能使能量消失，但发生了能量的耗散。过程不可逆 性的本质微观表现:孤立系统内的一切不可逆过程是使系 统的分子（或其它微小单元）的运动从某种有序的状态 向无序状态转化，最后达到稳定平衡状态（最无序的状 态），并保持这种状态不再变化。
这种认识不仅为弄清物理学和化学中各种有序现象的起因指明了方向，也 为 阐明像生命的起源、生物进化以至宇宙发展等等复杂问题提供了有益的启 示，更有助于人们对宏观过程不可逆性的本质及其作用的认识。
系统内部究竟是什么因素导致定态的不稳定而发生分支的呢? ——涨落的作用。
13
► 通过涨落达到有序 无论平衡态还是非平衡定态都是系统在宏观上不随时间改变的状态， 实际 上由于组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，因此系统的状态表现为宏 观均匀态，但在局部上经常与宏观平均态有暂时的偏离。这种自发产生的微 小偏离称为涨落。 另外宏观系统所受的外界条件也或多或少地总有一些变动。 因此，宏观系统 的宏观状态总是不停地受到各种各样的扰动。随着控制条件 的改变，有的涨落分量随时间很快地哀减掉，有的涨落分量却会随时间长大， 以致其振幅终于达到宏观尺度而使系统进入一种宏观有序状态，这样就形成 了耗散结构。远离平衡态的系统的定态的不稳定以致发展到耗散结构的出现 就植根于这种涨落，普里高津把这个过程叫 做"通过涨落达到有序"。
热力学第一定律(实际气体节流过程)
熵增原理可以用来判断节流过程中气 体的状态变化方向和过程是否可逆。
熵增应用
在节流过程中，气体的熵会增加，这 是因为气体通过节流元件时，其状态 发生了变化，从有序状态变为无序状 态。
节流过程中热力学第一定律的验证方法
验证方法
通过测量节流前后的气体压力、温度和流量等参数，结合 热力学第一定律公式（ΔU = Q + W），计算出气体内能 的增量ΔU。
初始状态
气体的初始状态也会影响节流过程中温度和压力 的变化趋势，因此需要了解气体的初始温度、压 力和密度等参数。
节流装置的结构
节流装置的结构也会影响节流过程中温度和压力 的变化趋势，因此需要根据实际需求选择合适的 节流装置结构。
04
热力学第一定律在节流过程中的应用
节流过程中能量的转换与守恒
节流过程
不可逆过程的定义和特性
不可逆过程是指与热力学第二定律相 违背的过程，它不能自发地逆转，即 系统从有序向无序转化的过程。
不可逆过程的特性包括熵增加、能量 耗散和时间箭头等，这些特性揭示了 自然界的演化规律和方向。
02
热力学第一定律概述
热力学第一定律的定义
热力学第一定律是指能量守恒定律在热力学中的具体表现，它指出在一个封闭系 统中，能量不能凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
当气体通过节流装置时，由于受到压力的降低， 气体分子之间的距离会减小，分子间的碰撞频 率会增加，从而引起温度的降低。
同时，由于气体的压力降低，气体的密度也会 减小，导致气体的体积膨胀，从而引起压力的 降低。
节流过程的特点
节流过程中，气体的温度和压力 会同时发生变化，且变化趋势与
气体的种类和初始状态有关。
热力学第一定律的应用范围
不可逆过程热力学简介
s J s t
该式称为熵平衡方程。注意它不同于一般的守恒定律，因为方程 的右边多了一项熵产生率 。
热传导过程中的熵流密度和熵产生率
在单纯的热传导过程中，体积元中物质内能的增加是热量流入的 结果，所以内能的增加率为 u J q t 其中Jq称为热流密度，它代表单位时间内流过单位截面的热量。 对于单纯的热传导过程，不可逆过程基本方程为
dQ dS Te
Te代表热源（或环境）的温度
把热力学第二定律应用到任一小系统元上，可得到
dS de S di S ,
dQ de S Te
熵流：系统与环境之间通过界面进行热量和物质交换时，进入 或流出系统的熵变。用deS表示,可正，负，零。
熵产生：系统内部自然而然地发生趋向平衡态的自发不可逆 变化，由此引起的熵变。用di S表示, di S 0 对于孤立系统： de S 0, 对于可逆过程： di S 0,
①判断不可逆过程进行的方向； ②对初、终态是平衡态的不可逆过程，可以通过初态和终态热力 学函数之间的关系求得整个过程的总效应； ③当不可逆程度不太强（即过程进行的比较慢，耗散效应比较弱） 时，可以近似地当作可逆过程来研究。 在自然界中发生的一切实际过程都是处在非平衡态下进行的不可 逆过程
平衡态热力学不能处理不可逆过程本身的许多问题，例如:过程 进行的速率，时间演化等。
例1：粒子数守恒定律为
n J n t
u J u t
这里n代表粒子数密度，Jn为粒子流密度。
例2：内能密度u随时间变化率满足 其中Ju为内能流密度。
4.不可逆过程的基本方程
对于处于局域平衡的任何一个系统元，假设：在平衡态下的熵与 内能、体积及各组元摩尔数之间的关系仍然成立，即
不可逆过程热力学
不可逆过程热力学
不可逆过程热力学是研究不可逆过程中热力学现象的宏观理论。
它主要用于描述在不可逆过程中，物理系统的热力学现象和相关的能量转化过程。
这个理论主要关注的是系统在经历一个过程后，如何借助外界的帮助才能回到原来状态从而留下痕迹，这样的过程被称为不可逆过程。
具体来说，不可逆过程热力学涉及到的内容包括：
1.热力学第二定律指出，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
这意味着，例如水不可能自发的从低处往高处流，必须借助帮助例如抽水机，但却消耗了电能，给外界留下了痕迹。
2.在不可逆过程中，系统会经历一种方向性，这种方向性是由系统的内在性质和外部环境共同决定的。
3.不可逆过程热力学还关注如何借助外界的帮助实现这个过程，但要引起外界的变化。
例如，热量从高温向低温传递时，必须借助外界的帮助如热机，但在这个过程中，热量转化为机械能并对外界做功，使得系统的熵（代表无序度的物理量）增加。
需要注意的是，不可逆过程热力学是一种宏观理论，对于非平衡态现象的解释终究是有限度的。
对于更深入的理论，需要借助非平衡态统计物理学等更微观的理论来完成。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
TdS dU pdV i dNi
注意：该式对于小系统元近似成立，但对整个系统不成立。 如果忽略体积变化，则基本方程为
Tds du i dni
S ——局域熵密度 s V U ——内能密度 u V Ni ——粒子数密度 ni V
5.热力学第二定律和熵产生率
热力学第二定律对不可逆过程有
散度的定义是：
A1 A2 A3 A A A1i A2 j A3k x y z 于是可得 d (t , r ) d J Q (t , r )d dt V V
d (t , r ) J Q (t , r ) dt
此式为守恒量所遵守的一般连续性方程。
di S 0
dQ dS de S Te
定义熵产生率 i s ——单位时间单位体积内的熵产生 t 则熵密度随时间的变化率为 s e s i s e s t t t t 因为右方第一项是由于系统元从周围环境吸收热量引起的变化，它 可表达为
e s J s —— Js熵流密度 t
第五章 不可逆过程热力学简介
§5.1 不可逆过程热力学方程
1.平衡态热力学和不可逆过程
平衡态热力学由热力学三个定律作为基础构筑而成。由平衡态热 力学得到的结论，至今未有与实践相违背的事实。对于非平衡态 和不可逆过程，从平衡态热力学只能够得到非常有限的信息
①判断不可逆过程进行的方向； ②对初、终态是平衡态的不可逆过程，可以通过初态和终态热力 学函数之间的关系求得整个过程的总效应； ③当不可逆程度不太强（即过程进行的比较慢，耗散效应比较弱） 时，可以近似地当作可逆过程来研究。 在自然界中发生的一切实际过程都是处在非平衡态下进行的不可 逆过程
于是有
s J s t
该式称为熵平衡方程。注意它不同于一般的守恒定律，因为方程 的右边多了一项熵产生率 。
热传导过程中的熵流密度和熵产生率
在单纯的热传导过程中，体积元中物质内能的增加是热量流入的 结果，所以内能的增加率为 u J q t 其中Jq称为热流密度，它代表单位时间内流过单位截面的热量。 对于单纯的热传导过程，不可逆过程基本方程为
dQ dS Te
Te代表热源（或环境）的温度
把热力学第二定律应用到任一小系统元上，可得到
dS de S di S ,
dQ de S Te
熵流：系统与环境之间通过界面进行热量和物质交换时，进入 或流出系统的熵变。用deS表示,可正，负，零。
熵产生：系统内部自然而然地发生趋向平衡态的自发不可逆 变化，由此引起的熵变。用di S表示, di S 0 对于孤立系统： de S 0, 对于可逆过程： di S 0,
例1：粒子数守恒定律为
n J n t
u J u t
这里n代表粒子数密度，Jn为粒子流密度。
例2：内能密度u随时间变化率满足 其中Ju为内能流密度。
4.不可逆过程的基本方程
对于处于局域平衡的任何一个系统元，假设：在平衡态下的熵与 内能、体积及各组元摩尔数之间的关系仍然成立，即
(t , r )
体系的守恒量Q是ρ 对整个体系体积的积分值：
Q (t ) (t , r )d 3r
V
另外Q是一守恒量，其变化的唯一途径是通过体系的边界Σ 与环境 发生交换，在单位时间内， Q的变化等于流 JQ(t, r)对边界面Σ的 积分： dQ n J Q (t , r )d dt V 其中d Σ 为小块表面的面积元，n为这个面元外向法线的单位矢量, 负号是因为我们规定由体系流向环境的值为正。由Gauss定律，封 闭边界的面积分等于散度的体积分： dQ J Q (t , r )d 3r dt V
Tds du
ds
故有局域熵密度的增加率为
du T
s 1 u 1 J q t T t T
与熵平衡方程做比较可得 Jq 1 Js , Jq T T
Jq T
注意：
①局域平衡是一种近似，是对小系统元而言的。整个系统处于非 平衡状态，即系统元之间不满足平衡条件，一般来说存在温度梯 度( T 0) ，压强梯度( p 0 )，密度梯度( 0 )，化学势 梯度( 0)等。 ②局域平衡假设的有效范围是偏离平衡不远的系统，近似成立条 件
系统元
t
系统
3.连续性方程
非平衡体系的热力学函数是时间t 和空间坐标r的函数，若认为体 系是连续介质，则所有的热力学量对于体系的一切时、空点均存 在并且连续。
体系的广延量可分成两种 守恒量:自身即不耗散又不产生(如n,E等)； 非守恒量：自身会发生变化的量，如体系的熵。
设被研究体系的体积为V，有封闭边界Σ。设 Q是一守恒量， Q在 体系中各点的密度用ρ表示, ρ是 t和 r 的函数：
平衡态热力学不能处理不可逆过程本身的许多问题，例如:过程 进行的速率，时间演化等。
2.局域平衡假设
平衡状态系统可用状态参数来描述系统的各种宏观物理性质， 如温度、压力、体积、内能、焓、熵等，状态参数是平衡态范畴内 的概念。
局域平衡假设是把所讨论的处于非平衡态(温度、压力、组成不 均匀)的系统，划分为许多很小的系统微元，称为系统元。每个系 统元在宏观上足够小，以至于它的性质可以用该系统元内部的某一 点附近的性质来代表；在微观上又足够大，即它包含足够多的分子， 多到可用统计的方法进行宏观处理。