高二物理竞赛可逆过程与不可逆过程课件.pptx

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1、可逆过程与不可逆过程 可逆过程可逆过程 : 在系统状态变化过程中，如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，而且果逆过程能重复正过程的每一状态，而且不引起其它变化，这样的过程叫做可逆过不引起其它变化，这样的过程叫做可逆过程程 .可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程2 克劳修斯说法克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自动自动传到传到高温物体而高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化 .3 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化高温

2、物体，但需外界作功且使环境发生变化 .高温热源高温热源1T低温热源低温热源2T卡诺致冷机卡诺致冷机1Q2QVo2TW1TABCD21TT 2Q1Q4注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验热力学第二定律是大量实验和经验的总结的总结. 3 热力学第二定律可有多种说法，每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种说法都反映了自然界过程进行的方向性 . 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性修斯说法具有等效性 .5 不可逆过程不可逆过程：在不引起其它变化的条件下，：在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，

3、或者虽不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其它变化，这样的过程叫能重复但必然会引起其它变化，这样的过程叫做不可逆过程做不可逆过程.非非准静态过程为不可逆过程准静态过程为不可逆过程.6 准静态过程（无限缓慢的过程），且准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量耗散的过程能量耗散的过程 . 可逆过程的条件可逆过程的条件7非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过自然界一切与热现象有关的实际宏

4、观过程都是不可逆的程都是不可逆的 . 热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发8 ( (1) ) 在在相同相同高温热源和低温热源之间工高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的作的任意工作物质的可逆机可逆机都具有都具有相同相同的的效率效率 . ( (2) ) 工作在工作在相同相同的高温热源和低温热的高温热源和低温热源之间的一切源之间的一切不不可逆机的效率都可逆机的效率都不可能不可能大大于可逆机的效率于可逆机的效率 .9以卡诺机为例，有以卡诺机为例，有( ( 不可逆不可逆机机 ) )（可逆可逆机机）121121 TT

5、TQQQ102211TQTQ02211TQTQ121121TTTQQQ可逆卡诺机可逆卡诺机如何判断如何判断孤立孤立系统中过程进行的系统中过程进行的方向方向？熵概念的引入熵概念的引入11 结论结论 ：可逆卡诺循环中，热温比总和可逆卡诺循环中，热温比总和为零为零 .TQ热温比热温比 等温过程中吸收或放出等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比的热量与热源温度之比 . 任意的可逆循环可视为由许多可逆卡任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成诺循环所组成.12poV一微小可逆卡诺循环一微小可逆卡诺循环011iiiiTQTQ对所有微小循环求和对所有微小循环求和0iiiTQiQ1iQ0dTQi时，则时

6、，则 结论结论 : : 对任一可逆循环过程，热温比之对任一可逆循环过程，热温比之和为零和为零 .130dddBDAACBTQTQTQ2 熵是态函数熵是态函数BAABTQSSd 可逆过程可逆过程 poVABCD可逆过程可逆过程ADBBDATQTQddADBACBTQTQdd14 在可逆过程中，系统从状态在可逆过程中，系统从状态A变化到状变化到状态态B ，其热温比的积分只决定于初末状态其热温比的积分只决定于初末状态而与过程无关而与过程无关. 可知热温比的积分是一态函可知热温比的积分是一态函数的增量，此数的增量，此态函数态函数称为称为熵熵( (符号为符号为S）. 热力学系统从初态热力学系统从初态 A

7、 变化到末态变化到末态 B ，系统系统熵的增量熵的增量等于初态等于初态 A 和末态和末态 B 之间任之间任意一可逆过程热温比（意一可逆过程热温比（ ）的积分）的积分.TQ/d物理意义物理意义15无限小可逆过程无限小可逆过程TQSdd 熵的单位熵的单位J/KBAABTQSSd 可逆过程可逆过程 16二二 熵变的计算熵变的计算 （1）熵是态函数，与过程无关熵是态函数，与过程无关. 因此因此, 可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变可计算熵变 . （2）当系统分为几个部分时，当系统分为几个部分时， 各部分各部分的熵变之和等于系统的熵变的熵变之和等于系统

8、的熵变 .17 例例1 计算不同温度液体混合后的熵变计算不同温度液体混合后的熵变 . 质量为质量为0.30 kg、温度为、温度为 的水，与质量的水，与质量为为 0.70 kg、 温度为温度为 的水混合后，最后的水混合后，最后达到平衡状态达到平衡状态. 试求水的熵变试求水的熵变. 设整个系统与设整个系统与外界间无能量传递外界间无能量传递 .C90C20 解解 系统为孤立系统，混合是不可逆的系统为孤立系统，混合是不可逆的等压过程等压过程. 为计算熵变，可假设一可逆等压为计算熵变，可假设一可逆等压混合过程混合过程.18 设平衡时水温为设平衡时水温为 ，水的定压比热容为，水的定压比热容为T113Kkg

9、J1018. 4pc由能量守恒得由能量守恒得)K293(70. 0)K363(30. 0TcTcppK 314T19K 314T各部分热水的熵变各部分热水的熵变11111KJ 182lndd1TTcmTTcmTQSpTTp12222KJ 203lnddTTcmTTcmTQSpTTpkg 3 . 01mkg 7 . 02mK 3631TK 2932T121KJ 21SSS20ATBT绝热壁绝热壁BATT 例例2 求热传导中的熵变求热传导中的熵变.Q 设在微小时间设在微小时间 内，从内，从 A 传到传到 B 的热的热量为量为 .tQAATQSBBTQS21BABATQTQSSS0BASTT 同样，

10、此同样，此孤立孤立系统中系统中不不可逆过程熵亦可逆过程熵亦是是增加增加的的 .22孤立系统中的熵永不减少孤立系统中的熵永不减少. 孤立系统孤立系统不可逆不可逆过程过程0S孤立系统孤立系统可逆可逆过程过程0S 孤立系统中的孤立系统中的可逆可逆过程，其熵不变；过程，其熵不变；孤孤立系统中的立系统中的不可逆不可逆过程，其熵要增加过程，其熵要增加 .0 S23平衡态平衡态 A平衡态平衡态 B （熵不变）（熵不变）可逆可逆过程过程非平衡态非平衡态平衡态（熵增加）平衡态（熵增加） 不可逆不可逆过程过程自发过程自发过程 熵增加原理成立的熵增加原理成立的条件条件: : 孤立系统或孤立系统或绝热过程绝热过程.

11、熵增加原理的应用熵增加原理的应用 ：给出自发过程进：给出自发过程进行方向的判据行方向的判据 .24 热力学第二定律亦可表述为热力学第二定律亦可表述为 ：一切一切自发过程总是向着熵增加的方向进行自发过程总是向着熵增加的方向进行 .25 证明证明 理想气体绝热自由膨胀过程是不理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆的可逆的 .0, 0, 0, 0TEWQ),(22TVp),(11TVp26 在态在态1和态和态2之间假设之间假设一可逆等温膨胀过程一可逆等温膨胀过程21dd2112VVVVRMmTQSS0ln12VVRMm不可逆不可逆1V2V12poV27无序无序有序有序热功转换热功转换完全完全功功不不完全完

12、全热热 热力学第热力学第二二定律的定律的实质实质：自然界一自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的逆的 .一一 熵与无序熵与无序28补充：非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体热传导热传导非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡扩散过程扩散过程VVV自发自发外力压缩外力压缩29 不可逆过程的本质不可逆过程的本质 系统从热力学概率小的状态向热力学系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程概率大的状态进行的过程 . 一切自发过程的普遍规律一切自发过程的普遍规律 概概率小的状态率小的状态概概率大的状态率大的

13、状态30 讨论讨论 个粒子在空间的分布问题个粒子在空间的分布问题N 可分辨的粒子集中在可分辨的粒子集中在左左空间的概率空间的概率21=1=WN,41=2=WN,31粒子集中在粒子集中在左左空间的空间的概概率率421161W粒子粒子均匀均匀分布的概率分布的概率83166W可分辨粒子总数可分辨粒子总数 N = 4 各种分布的状态总数各种分布的状态总数 16iin11n42n63n43n第第 种分布的可能状态数种分布的可能状态数ini15n32 N 1 2 4 N W42212121N210（左）（左）WkSln熵熵W 热力学热力学概概率（微观状态数）、率（微观状态数）、 无序度、混乱度无序度、混乱

14、度.33 （2）熵是孤立系统的无序度的量度熵是孤立系统的无序度的量度.（平（平衡态熵最大衡态熵最大.）（）（W 愈大，愈大，S 愈高，系统无序愈高，系统无序度愈高度愈高.） （1）熵的概念建立，使热力学第二定律熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述得到统一的定量的表述 .34玻耳兹曼的墓碑玻耳兹曼的墓碑 为了纪念为了纪念玻耳兹玻耳兹曼给予熵以统计解释曼给予熵以统计解释的卓越贡献的卓越贡献 ，他的，他的墓碑上寓意隽永地刻墓碑上寓意隽永地刻着着 这表示人们对玻耳兹这表示人们对玻耳兹曼的深深怀念和尊敬曼的深深怀念和尊敬.WkSln35耗耗 散散 结结 构构 （1）宇宙真的正在走向死亡吗？

15、宇宙真的正在走向死亡吗？ 实际宇宙万物，宇宙发展充满了无序实际宇宙万物，宇宙发展充满了无序到有序的发展变化到有序的发展变化 . （2） 生命过程的自组织现象生命过程的自组织现象 生物体的生长和物种进化是从无序到生物体的生长和物种进化是从无序到有序的发展有序的发展.36 （3） 无生命世界的自组织现象无生命世界的自组织现象 云、雪花、太阳系、化学实验、热对云、雪花、太阳系、化学实验、热对流、激光等流、激光等. （和外界有能量交换和物质交换的系（和外界有能量交换和物质交换的系统叫开放系统）统叫开放系统）（4）开放系统的熵变开放系统的熵变开放系统熵的变化开放系统熵的变化iedddSSS37idS系统

16、内部不可逆过程所产生的熵系统内部不可逆过程所产生的熵增加增加系统与外界交换能量或物质而引系统与外界交换能量或物质而引起的熵流起的熵流edS0 d0 diSS,孤立系统孤立系统0d d0d0 deieiSdSSSS,开放系统开放系统3839有一个故事说，能够到达金字塔顶端的只有两种动物，一是雄鹰雄鹰，靠自己的天赋和翅膀飞了上去。我们这儿有很多雄鹰式的人物，很多同学学习不需要太努力就能达到高峰。有很多同学身上充满了天赋，不需要学习就有这样的才能。所以，有天赋的人就像雄鹰。但是，大家也都知道，有另外一种动物，也到了金字塔的顶端。那就是蜗牛蜗牛。蜗牛肯定只能是爬上去。从低下爬到上面可能要一个月、两个月，甚至一年、两年。在金字塔顶端，人们确实找到了蜗牛的痕迹。我相信蜗牛绝对不会一帆风顺地爬上去，一定会掉下来、再爬、掉下来、再爬。但是，蜗牛只要爬到金字塔顶端，它眼中所看到的世界，它收获的成就，跟雄鹰是一模一样的。所以，也许我们在座的同学有的是雄鹰，有的是蜗牛。有的是牛也许还没有爬到金字塔的顶端。但是只要你在爬，就足以给自己留下令生命感动的日子。