热力学第二定律-1

热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，或者说是有方向性的。例如，热量可以从高温物体自动地传给低温物体，但是却不能从低温传到高温。对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律。前言7.5热力学第二定律克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。一.热力学第二定律注意理解以下两点：（2）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）（1）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自发进行，不能不产生其它影响。例：电冰箱开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。与之相应的经验事实是，功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其他影响是不可能的。如，利用热机，但实际中热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。或：TQA*违反热力学第二定律，是不可能实现的。巨轮不断吸收海水，提取其内能，将其变成冰块，再抛入海中。就可以持续航行了。注意理解以下四点：（1）热力学第一定律和第二定律是互相独立的。比较：第一类永动机第二类永动机违反热力学第二定律不耗能，只做功违反热力学第一定律（2）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”热可以完全转变为功，但是系统和外界均复原是不可能的。例：理想气体等温膨胀不违反热力学第二定律（3）热力学第二定律指出了热功转换的方向性功自发热100%转换热非自发功不能100%转换热传导的方向性扩散的方向性热功转换方向性热刹车摩擦生热。烘烤车轮，车不开。热量不能自动从低温高温自由膨胀，不可自动收缩二.热力学第二定律的实质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：理想气体等温膨胀的可逆性分析（1）无摩擦，准静态进行（2）有摩擦，准静态进行（3）无摩擦，非静态进行（1）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TT（2）有摩擦，准静态进行正向：（体积功>0）（摩擦功>0）逆向：(<0)(>0)由热力学第二定律，不能使热完全转变为功而不产生其它影响，所以外界不能复原。原过程不可逆造成不可逆的原因：存在摩擦总效果系统复原摩擦功转变为热向外界逸散（3）无摩擦，非静态进行正向（快提）气体分子来不及均匀分布由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生其它影响，即外界不能复原造成不可逆的原因：快速进行，非静态过程逆向（快压）总效果外界做功：得热：可逆过程是对准静态过程的进一步理想化卡诺循环是理想的可逆循环：不计摩擦、漏气，准静态进行。只有无摩擦的准静态过程是可逆过程摩擦（能量耗散）快速（非静态）可逆热力学过程一定是准静态过程准静态过程一定是可逆过程不可逆过程就是不能向相反的方向进行凡有摩擦的过程一定是不可逆的可逆过程一定是平衡过程平衡过程一定是可逆的不可逆过程一定是非平衡的非平衡过程一定是不可逆的练习.判断正误2.热力学第二定律的实质功自发热100%转换热非自发功不能100%转换（向低温热源放热）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）从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律做功、传热、溶解、扩散、生命…一切与热现象有关的宏观实际过程都不是严格无摩擦、准静态的，所以都是不可逆的，其自发进行具有单向性.

单向性：什么方向？1）

功：与宏观定向运动相联系，有序运动热：与分子无规则运动相联系自动非自动2）热传导：

高温低温差别无序性自动低温高温差别无序性非自动单向性：无序性增大的方向实际自发热力学过程都向无序性增大的方向进行3）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初始状态摇动后几率很小

热力学第二定律指出了热量传递方向和热功转化方向的不可逆性，这一结论，可从微观角度出发，从统计意义来进行解释。几率大三、热力学第二定律的统计意义从微观角度讨论无序性的意义

气体自由膨胀的不可逆性可用几率来说明。ABabc隔板2118=3a、b、c

三个分子在A、B两室的分配方式abcabbccacabcababccabcab00A室B室12a分子出现在A室的几率为、bac、三分子全部回到A室的几率为ba、二分子回到A室的几率为2114=2

以上推导说明：不可逆过程实质上是一个从几率较小的状态到几率较大的状态的变化过程

能量从高温热源传给低温热源的几率要比反向传递的几率大得多。

在一个孤立系统内，一切实际自发进行的过程都是向着状态的几率增大方向进行。

宏观物体有规则机械运动（作功）转变为分子无规则热运动的几率要比反向转变的几率大得多。只有在理想的可逆过程中，几率才保持不变。

个分子全部自动收缩到A室的几率为N011220N~~10230由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。当粒子数足够多时，实际上所观察到的宏观态——最概然分布。定义：宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的热力学概率意义：该宏观态所包含的微观态数越多，确定系统的微观态越困难，系统无序性越高。热力学概率是系统无序程度的量度2.热力学第二定律的统计意义实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加的方向进行。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，对只含少数分子的系统不适用。

无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤的故事……)卡诺定理:=：对应可逆机；<：对应不可逆机循环中高温热源的最高温度；循环中低温热源的最低温度；热机效率的极限：提高热机效率的途径：尽量提高两热源的温差；尽量减少不可逆因素：耗散、非静态。3.卡诺定理问题的提出热力学第一定律：第一类永动机不可能实现定量化引入系统状态函数

E

热力学第二定律：第二类永动机不可能实现普遍的数学形式定量化？从不同角度，引入系统状态函数S克劳修斯玻尔兹曼四.熵，熵增加原理一、玻尔兹曼熵公式1.定义维也纳中央公园玻尔兹曼墓碑上没有任何墓志铭，只刻着熵的定义式“写下这些记号的难道是一位凡人吗？”——《浮士德》（歌德）物理学中最重要的公式之一2.物理意义1）熵是系统状态的单值函数一定的宏观态——包含的微观态确定——对应的热力学概率Ω

确定——熵S

确定。Ω：数字太大，对几个系统不具有可加性为什么定义？2）熵是系统无序性大小的量度3）熵是系统接近平衡态程度的一种量度平衡态：差别消失，无序性最大，最概然状态1.用熵S

表述热力学第二定律二、熵增加原理孤立系统中自然发生的热力学过程总是向着熵增大的方向进行。条件：孤立系统（绝热、无外界影响，Q=0A=0）自然发生——不可逆结论：2.意义1）是统计规律：熵减小的过程不是绝对不可能发生，而是在大量粒子组成的群体中出现的概率极小，以至不出现。2）自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。

每利用一份能量，就会得到一定的惩罚--把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。熵是事物无序度的量度因为熵是与微观状态的对数成正比的，微观状态数越大，混乱度就越大。信息量越小。相反熵减小则有序度增加。以一个N个分子的物质系统为例：让其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固定，有序度增加，温度再降低时，分子在平衡位置附近振动更加序。事实上平衡态是最无序。最无信息量，最缺活力的状态。耗散结构杂谈人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。开放系统---与外界有物质和能量的交换的系统原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断消耗能源与物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。正如薛定谔指出来的：‘生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断地获得负熵’。感冒：起因---运动或劳累过后，身体消耗大量能量，产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相安无事。但如此时或吹风、或着凉皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱--使人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力。抵抗力减弱…..人因此感冒了.,皮肤感到过凉，此信息传到大脑的调温中心---丘脑，进行调温以暖中医说:内有虚火,外感风寒.西医说:感冒了,有炎症.物理说:如何治疗呢?中医说:西医说:物理说:发汗清热.退热消炎积熵过剩.消除积熵.癌症:由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度大幅度增长.以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传,细胞无控制地生长,产