热力学与统计物理3名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

同学们好J.E克劳修斯(1822-1888)第1页1第五节热力学第二定律热力学第一定律：能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律过程不可能发生。——第一类永动机不可能成功！是否凡遵从热力学第一定律过程一定发生？功热转换热传导扩散…...能量转换有一定方向和程度热力学第二定律：描述自然界能量转换方向和程度。用否定形式表述表述方式多样反证法统计意义…...特征第2页2一、热力学第二定律两种经典表述及其等效性1.开尔文表述(K)从热机角度（热功转换角度）说明能量转换方向和程度:*不可能从单一热源吸收热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。或：*惟一效果是热全部转换为功过程是不可能实现。*单热源热机是不可能制成。TQA*第3页3注意了解：

热力学第一定律和第二定律是相互独立。比较：第一类永动机：第二类永动机：不耗能，只做功违反热力学第一定律违反热力学第二定律第4页4热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功关键词：“无其它影响”热完全转变为功,而且系统和外界均复原是不可能。例：理想气体等温膨胀不违反热力学第二定律第5页5热力学第二定律指出了热功转换方向性功自发热100%转换热非自发功不能100%转换热力学第二定律与能源危机能量做功能力下降，能量品质下降。热力学第二定律:热力学第一定律:能量转换并守恒，何来能源危机？第6页62.

克劳修斯表述

(C)从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换方向和程度：*热量不能自动地从低温物体传到高温物体。或：*第二类永动机是不可能成功。*QA=0Q第7页7注意了解：热力学第二定律指出了热传导方向性高温自动低温低温非自动高温（外界做功）热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体关键词：“自动”即热量从低温物体传到高温物体不能在不产生其它影响情况下自发进行。例：电冰箱第8页83.两种表述等效性正定理：假如K成立，C一定成立逆定理：假如C成立，K一定成立否定理：假如K不成立，C一定不成立逆否定理：假如C不成立，K一定不成立用反证法证实后两项第9页9假如K不成立，则存在单热源热机，建立如图所表示联合循环，无其它影响，故C不成立总效果：第10页10

假如C不成立，则存在A=0致冷机，建立如图所表示联合循环总效果：无其它影响，故K不成立。由，

C、K两种表述等效。第11页114.

热力学第二定律表述多样性凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现过程都能够作为热力学第二定律一个表述，而且彼此等效。K，C为两种标准表述抓住经典过程：从热机，致冷机角度阐述。历史上最早提出练习：判断正误热量不能从低温物体传向高温物体热不能全部转变为功××第12页12二、热力学第二定律实质1.可逆过程和不可逆过程定义：设系统经历过程为可逆过程为不可逆过程例：理想气体等温膨胀可逆性分析无摩擦，准静态进行有摩擦，准静态进行无摩擦，非静态进行第13页13

无摩擦，准静态进行正向：逆向：总效果：外界与系统均复原原过程为可逆过程第14页14有摩擦，准静态进行正向：（体积功）（摩擦功）(>0)(>0)逆向：(<0)(>0)第15页15由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不产生其它影响，外界不能复原。所以，原过程不可逆。造成不可逆原因：存在摩擦总效果系统复原恒温热源：转变为外界内能无摩擦，非静态进行正向（快提）第16页16总效果：外界做功：得热：由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生其它影响，即外界不能复原。

所以，原过程不可逆。造成不可逆原因：快速进行，非静态过程。逆向（快压）第17页17摩擦（能量耗散）快速（非静态）只有没有摩擦准静态过程是可逆过程可逆过程是对准静态过程深入理想化练习：判断以下说法正误

可逆过程一定是准静态过程

准静态过程不一定是可逆过程

不可逆过程不一定非静态

非静态过程一定不可逆卡诺循环是理想可逆循环不计摩擦、漏气准静态进行√√√√第18页182.

热力学第二定律实质从可逆、不可逆过程角度看热力学第二定律功自发热100%转换热非自发功不能100%转换开尔文表述：克劳修斯表述：热传导不可逆高温自动低温低温非自动高温（外界做功）(1)揭示一切自发烧力学过程不可逆性——时间箭头热力学原因？动力学原因？第19页19古人对时间看法君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。动力学原因君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。热力学原因白驹过隙(2)指出宏观热力学过程进行条件和方向溶解、扩散、生命……

一切与热现象相关宏观实际过程都是不可逆，其自发进行含有单向性。该定律揭示出各种运动形式存在着质差异。各种运动形式间转换存在着方向和极限。问题自然过程向什么方向进行？第20页20单向性：什么方向？功：与宏观定向运动相联络，有序运动热：与分子无规则运动相联络自动非自动热传导高温低温差异无序性自动低温高温差异无序性非自动单向性：无序性增大方向实际自发烧力学过程都向无序性增大方向进行从微观角度讨论无序性意义自由膨胀体积可能位置无序性自动体积可能位置无序性非自动真空第21页21三、热力学第二定律统计意义1.无序性量度——热力学概率以理想气体自由膨胀为例设分子数：4真空抽去隔板后可能情况以下列图表：第22页2216种微观态，5种宏观态。第23页23每秒放映1亿张，（普通电影24/秒）理想气体自由膨胀分子数可能微观态数宏观态数每种微观态出现概率234N345第24页24等概率原理：系统每种微观态出现概率相同。由此，包含微观态越多宏观态出现概率越大。定义：宏观态中包含微观态数目叫做该宏观态热力学概率。意义：该宏观态所包含微观态数越多，确定系统微观态越困难，系统无序性越高。热力学概率是系统无序程度量度。比较：统计学概率w与热力学概率第25页25比较：统计学概率w与热力学概率宏观态出现概率W=每种微观态出现概率w×热力学概率w，W：小于1；大于1由等概率原理：第26页262.

热力学第二定律统计意义实际自发热力学过程是不可逆，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加方向进行。无序性减小状态不是绝对不可能发生，而是发生可能性趋于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤故事……)热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子体系才有意义，对只含少数分子系统不适用。第27页27比较：热力学第一定律：严格成立，不能违反热力学第二定律：统计规律，违反概率太小对大量分子体系适用练习：热力学第二定律经典思想方法：反证法1.证实两条绝热线不相交设两个绝热线交于B，可作一等温线与两条绝热线组成一循环，形成单热源热机，违反热力学第二定律。所以，原假设不成立，两绝热线不能相交。第28页282.证实一条等温线和一条绝热线不能有两个交点．四、卡诺定理2)在相同高温热源和相同低温热源间工作一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机效率。1)在相同高温热源