热学起源 精.ppt

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1、热学起源 第1页，本讲稿共35页 能量能量是一种守恒的东西，是一种守恒的东西，既不能从虚无中创生又不能被既不能从虚无中创生又不能被消灭，而只能从一种形式转化消灭，而只能从一种形式转化为另一种形式。为另一种形式。如何理解能源危机如何理解能源危机?第2页，本讲稿共35页热力学第二定律的物理意义热力学第二定律的物理意义熵概念的诞生之所以重要，就在于可以将热力学熵概念的诞生之所以重要，就在于可以将热力学第二定律以定量的形式表述出来。即：在孤立系第二定律以定量的形式表述出来。即：在孤立系统中，任何变化不可能导致熵的总值减少，统中，任何变化不可能导致熵的总值减少，一个物理量的物理意义，就是要指出该物理量独

2、特地一个物理量的物理意义，就是要指出该物理量独特地反映了物质运动的哪方面性质或规律。反映了物质运动的哪方面性质或规律。第3页，本讲稿共35页熵在孤立系统内的变化规律只能沿熵增加的方向进行，反映了熵在孤立系统内的变化规律只能沿熵增加的方向进行，反映了孤立系统内经历的过程（自发过程）具有方向性孤立系统内经历的过程（自发过程）具有方向性孤立系统愈接近平衡态，熵的数值愈大，熵在孤立系统内的数值大孤立系统愈接近平衡态，熵的数值愈大，熵在孤立系统内的数值大小反映了孤立系统接近平衡态的程度小反映了孤立系统接近平衡态的程度推论：孤立系统内的熵增是反映能够转变为功的能量多少的推论：孤立系统内的熵增是反映能够转变

3、为功的能量多少的量度量度第4页，本讲稿共35页天道盈亏天道盈亏熵增加能贬值熵增加能贬值高高 温温 T1低低 温温 T2Q2 Q1A可逆可逆Q1、Q2 取绝对值取绝对值效率：效率：产生的机械功：产生的机械功：热量中不可用部分：热量中不可用部分：第5页，本讲稿共35页效率：效率：产生的机械功：产生的机械功：热量中不可用部分：热量中不可用部分：高高 温温 T3低低 温温 T2Q2 Q1A可逆可逆Q1、Q2 取绝对值取绝对值高高 温温 T1Q1热量中不可用部分增量：热量中不可用部分增量：温度为温度为T1与与T3两个物体所构成系统的熵的增量：两个物体所构成系统的熵的增量：熵增加导致了能量的贬值熵增加导致

4、了能量的贬值第6页，本讲稿共35页 因此，某些形式的能量要比另一种形式的因此，某些形式的能量要比另一种形式的更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有序性的某种度量：越无序者越无用。这种无序序性的某种度量：越无序者越无用。这种无序性称为性称为 。这是一个和能量转换相关的热。这是一个和能量转换相关的热力学广延量。这是一个意义深远的物理量。力学广延量。这是一个意义深远的物理量。熵在自然过程中似乎永远在增加。熵在自然过程中似乎永远在增加。I am better than you!第7页，本讲稿共35页能量的品质：逐步降级能量的品质：逐步降级热力学第二定律告诉我们

5、，热能不如别的形式的能量有用，热力学第二定律告诉我们，热能不如别的形式的能量有用，如飞行的子弹和高举的石头能够将动能和势能全部变为功，如飞行的子弹和高举的石头能够将动能和势能全部变为功，而热能只能部分变为功。而热能只能部分变为功。例：单摆，空气阻力使摆球逐渐停下来，但是整个系统（单摆和例：单摆，空气阻力使摆球逐渐停下来，但是整个系统（单摆和周围的空气）没有损失任何能量，但是这一过程产生了热能，这周围的空气）没有损失任何能量，但是这一过程产生了热能，这个系统不能恢复其初始状态。能量没有丢失，但是能量的品质降个系统不能恢复其初始状态。能量没有丢失，但是能量的品质降低了。低了。热学两大定律告诉我们，

6、能量的数量是守恒的，能量的品质不断降热学两大定律告诉我们，能量的数量是守恒的，能量的品质不断降低。低。第8页，本讲稿共35页能源动力系统的基础性研究第一代第一代:热力学第一定律为基础热力学第一定律为基础,热机利用能量做功热机利用能量做功,追求能量利用追求能量利用率率,不考虑总能中有多少用来对外做功不考虑总能中有多少用来对外做功.第二代第二代:热力学第二定律为基础热力学第二定律为基础,提出能量品质的新概念提出能量品质的新概念.热能是热能是一种低品质的能量一种低品质的能量.温度不同的热能温度不同的热能,温度越低温度越低,品质越低品质越低.第三代第三代:从全球环境问题和能量可持续出发从全球环境问题和

7、能量可持续出发,与高效与高效,洁净洁净,安全运行安全运行紧密结合紧密结合,全面发展总能的概念全面发展总能的概念,发明新的动力循环和总能系统发明新的动力循环和总能系统,研究它需要多学科的交叉研究它需要多学科的交叉.第9页，本讲稿共35页从微观的角度来看热现象从微观的角度来看热现象物质结构的基本图象物质结构的基本图象物质是由分子、原子等微观粒子组成物质是由分子、原子等微观粒子组成物质分子处于不停顿的无规则运动状态物质分子处于不停顿的无规则运动状态分子之间有相互作用分子之间有相互作用分子分子 原子原子 电子电子 原原子核子核 质子质子 中子中子 夸克夸克引力引力 斥力斥力布朗运动布朗运动布朗运动布朗

8、运动第10页，本讲稿共35页气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点1.1.宏观物体由大量分子、原子构成，宏观物体由大量分子、原子构成，有一定的间隙；有一定的间隙；2.2.分子永不停息地作无规则运动分子永不停息地作无规则运动 热运动热运动3.3.分子间有一定相互作用力。分子间有一定相互作用力。分子间分子间困难：如何求解数量级达困难：如何求解数量级达1023个力学方程个力学方程解决：统计方法解决：统计方法第11页，本讲稿共35页物质由大量的微观粒子组成，微观粒子都处在永不停息物质由大量的微观粒子组成，微观粒子都处在永不停息的无规则的热运动之中的无规则的热运动之中.单个粒子单个粒子力学规律，力学规

9、律，大量粒子的无规则热运动大量粒子的无规则热运动统计规律统计规律.统计规律性的基本概念统计规律性的基本概念第12页，本讲稿共35页统计规律统计规律伽尔顿板伽尔顿板.第13页，本讲稿共35页宏观量是相应微观量的统计平均值宏观量是相应微观量的统计平均值 气体压强公式气体压强公式T是大量分子热运动平均是大量分子热运动平均平动平动动能的量度。动能的量度。由此给出温度的统计意义：由此给出温度的统计意义：第14页，本讲稿共35页热力学概率热力学概率 自发过程的方向性从微观上看是大量分子无规运动的结果。自发过程的方向性从微观上看是大量分子无规运动的结果。a ab bc cd d左左 右右 分子数的左右分布称

10、为分子数的左右分布称为宏观态。宏观态。具体分子的左右具体分子的左右分布称为分布称为微微观态。观态。统计理论的基本假设是：统计理论的基本假设是：以气体自由膨胀为例分析。以气体自由膨胀为例分析。某宏观态所包含的微观态数某宏观态所包含的微观态数 叫该宏观态的叫该宏观态的热力学概率。热力学概率。对于孤对于孤立系统，各个立系统，各个微观态微观态出现的概率是相同的。出现的概率是相同的。热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释第15页，本讲稿共35页宏观态宏观态微观态微观态宏观态包括的微观态数宏观态包括的微观态数i概率概率abcd4 04 0abcda b cda b dca c dbb c da

11、3 1a b cdca b da c dbb c da 3 122a bc dc da ba cb da cb da db cb ca d第16页，本讲稿共35页0 01 12 23 34 45 56 6 左左 4 右右 0 左左 3 右右 1 左左 2 右右 2 左左 1 右右 3 左左 0 右右 4N 若若N=100，自动收缩（左自动收缩（左100，右，右0）N个分子，个分子，。若改变一次微观状态历时若改变一次微观状态历时10-9s，则所有微观状态则所有微观状态都经历一遍要都经历一遍要 。即即30万亿年中万亿年中（100，0）的状态的状态只闪现只闪现10-9s。的概率为的概率为10-30。

12、则：则：第17页，本讲稿共35页一般热力学系统一般热力学系统 N的数量级约为的数量级约为1023，(N左左)N 很大很大 N/2N左左而左右各半的而左右各半的平衡态及其附近宏观态平衡态及其附近宏观态的的热力热力学概率学概率则占总微观状态数的则占总微观状态数的绝大比例。绝大比例。上述上述比例实际上是百分之百。比例实际上是百分之百。第18页，本讲稿共35页 玻耳兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式该公式是物理学中最重要的公式之一。该公式是物理学中最重要的公式之一。1877年玻耳兹曼提出了年玻耳兹曼提出了S ln 。1900年普朗克引进了比例系数年普朗克引进了比例系数 k。进一步理解：引入有序量和无序量进一步理

13、解：引入有序量和无序量通常说熵高，意味着通常说熵高，意味着“混乱混乱”和和“分散分散”：熵低：熵低意味着意味着“整齐整齐”和和“集中集中”，前者叫无序，后者，前者叫无序，后者叫有序叫有序.系统的宏观态包含的微观态数越多系统的宏观态包含的微观态数越多,越无越无序序.第19页，本讲稿共35页理论物理学家索末菲的一段感言玻耳兹曼与奥斯特瓦尔德之争仿佛是一头雄牛与灵巧剑手之间的一场决斗。但是这一次，尽管剑手的技艺高超，最后还是雄牛压倒了斗牛士。玻耳兹曼的论点赢得了胜利。我们这些年轻的数学家都站在他这一边二派之争论以二派之争论以19061906年玻耳兹曼自杀于海边小城杜伊年玻耳兹曼自杀于海边小城杜伊诺而

14、结束诺而结束第20页，本讲稿共35页墓碑上的公式第21页，本讲稿共35页我们知道，某些形式的能量要比另一种形式的我们知道，某些形式的能量要比另一种形式的更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有序性的某种度量：越无序者越无用。这种无序序性的某种度量：越无序者越无用。这种无序性称为性称为 。熵在自然过程中似乎永远在增加。熵在自然过程中似乎永远在增加。I am better than you!熵的启示熵的启示第22页，本讲稿共35页 玻耳兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式告诉我们：在孤立的热力学系统中，熵高，意味着告诉我们：在孤立的热力学系统中，熵高，意味着“混乱混乱”

15、和和“分散分散”：熵低意味着：熵低意味着“整齐整齐”和和“集集中中”，在物理上前者叫无序，后者叫有序，在物理上前者叫无序，后者叫有序热力学第二定律断言：能量趋于退化，结构趋于解离，热力学第二定律断言：能量趋于退化，结构趋于解离，万物趋于衰亡的不可逆过程，即万物都要从有序向无万物趋于衰亡的不可逆过程，即万物都要从有序向无序演化、发展序演化、发展第23页，本讲稿共35页 克劳修斯克劳修斯于于1850年提年提出热力学第二定律：出热力学第二定律：整个整个系统的熵永不少系统的熵永不少。此外，此外，他还引入宇宙他还引入宇宙“热寂热寂”的的概念，即概念，即宇宙作为包含一切宇宙作为包含一切时间与空间的孤立系统

16、，其时间与空间的孤立系统，其熵总是在逐渐地增大，直至熵总是在逐渐地增大，直至达到其可能的最大值。达到其可能的最大值。所以所以在未来，在未来，“宇宙将处于某宇宙将处于某种一成不变的死寂状态种一成不变的死寂状态”。此后，此后，将不可能再发生任何将不可能再发生任何变化。变化。Oh my God!第24页，本讲稿共35页 宇宙正走向死亡。宇宙正走向死亡。最终，由最终，由于宇宙达到热平衡，万事万物似于宇宙达到热平衡，万事万物似乎都将变得极端乏味地出于某种乎都将变得极端乏味地出于某种全然无结构的状态中，成了一片全然无结构的状态中，成了一片均匀的热辐射均匀的热辐射“海海”。在这种状。在这种状态下，态下，宇宙

17、的能量最终都将以最无宇宙的能量最终都将以最无用形式存在。用形式存在。不存在恒星行星，不存在恒星行星，也不存在生命：有的仅仅是随也不存在生命：有的仅仅是随着膨胀的积蓄，热辐射变得越着膨胀的积蓄，热辐射变得越来越冷。这就是著名的来越冷。这就是著名的宇宙热寂宇宙热寂第25页，本讲稿共35页“热寂”之说困扰了物理学界甚至整个科学界，引起震惊、关注、争论延续一个多世纪。“热寂”是属于科学上无法用观察和验证做出最后判决的学术问题。“热寂”展示了一幅平淡、无差别，死气沉沉的宇宙图像，但实际展示在人们眼前的宇宙图像是一幅丰富多彩、千差万别、生机盎然的。第26页，本讲稿共35页“热寂”成为宇宙之谜，如何解迷？玻

18、耳兹曼提出的所谓涨落的说法。地球处于偏离平衡态的一个涨落状态。朗道提出考虑宇宙的大区域时，引力场起了重要的作用。即引力对热力学的影响相当于使系统受外界的干扰，从而远离平衡态第27页，本讲稿共35页现代天文学所揭示的宇宙演化图像20世纪20年代，美国天文学家哈勃发现银河系以外的遥远星系都做远离地球的运动，宇宙是膨胀的。1964年贝尔实验室彭齐亚斯和威尔逊用最灵敏的微波天线观察到宇宙中存在3K的黑体辐射背景，表明宇宙中存在趋向热平衡的倾向。第28页，本讲稿共35页 现代宇宙学家们开始认识现代宇宙学家们开始认识到，到，并不应该预期永远膨胀的并不应该预期永远膨胀的宇宙在未来会因熵达到某种极宇宙在未来会

19、因熵达到某种极大值而发生传统观念中的热寂。大值而发生传统观念中的热寂。虽然整个宇宙的熵将会不断虽然整个宇宙的熵将会不断增加，但是在任何特定时刻，增加，但是在任何特定时刻，宇宙可以具有的宇宙可以具有的最大熵值最大熵值却增却增加得更快。于是，宇宙可能具有加得更快。于是，宇宙可能具有的最大熵值与实际熵值之差就会的最大熵值与实际熵值之差就会越来越大。宇宙离开完全热平衡越来越大。宇宙离开完全热平衡的的“死寂死寂”状态实际上是变得越状态实际上是变得越来越远了。来越远了。:)第29页，本讲稿共35页19世纪英国诗人雪莱世界的伟大时代重新开始，黄金一样的岁月再度光临大地脱去冬季穿戴的衣服宛若灵蛇蜕皮而焕然一新

20、。2020世纪美国艾略特世纪美国艾略特世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，非砰然巨响，乃唏非砰然巨响，乃唏嘘饮泣。嘘饮泣。凡我们不可言说的东西，我们必须保持沉默。凡我们不可言说的东西，我们必须保持沉默。维特根斯坦维特根斯坦第30页，本讲稿共35页生命是什么“一个生命有机体，在不断地增加着它的熵你或者可以说是在增加正熵并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡，要摆脱死亡，唯一的办法就是从环境里不断汲取负熵，我们马上就会明白负熵是十分积极的东西，有机体就是赖负熵为生的。”薛定谔生命是什么第31页，本讲稿共35页生命从无序的海洋中吸取有序

21、，而将有序集中于自身，即，在非平衡条件下，熵流会产生有序和组织，进而产生生命。生命是远离平衡的开放系统，这种系统可能建立一种定态，且不断地由一个定态，经历若干亚稳态，跃迁到另一个新的定态。生物体系的空间有序和时间有序皆源于此过程。第32页，本讲稿共35页麦克斯韦在讨论热力学第二定律的正确性时也指出了局限性，麦克斯韦在讨论热力学第二定律的正确性时也指出了局限性，1871年在年在热的热的原理原理一书中提出了一个形象实验模型：封闭容器充满了温度为一书中提出了一个形象实验模型：封闭容器充满了温度为T的气体，的气体，分为分为A、B两部分，分界面上有个小孔，今有一能识别单个分子能力的假想物，两部分，分界面

22、上有个小孔，今有一能识别单个分子能力的假想物，打开或关闭分界面上的小孔，使快速分子从打开或关闭分界面上的小孔，使快速分子从A-B，慢速分子从，慢速分子从B-A，其结，其结果是分子平均速率果是分子平均速率A室低于室低于B室，因而室，因而TA TB。封闭系统从无序变得有序，。封闭系统从无序变得有序，总熵降低，按平衡态热力学观点显然是违法热力学第二定律的，所以称总熵降低，按平衡态热力学观点显然是违法热力学第二定律的，所以称具有识别能力的假想物为具有识别能力的假想物为”麦克斯韦妖麦克斯韦妖“。麦克斯韦妖第33页，本讲稿共35页麦克斯韦妖熵的关系：麦克斯韦妖熵的关系：SzilardSzilard强调，这

23、个妖具有获得信息、存储信息和强调，这个妖具有获得信息、存储信息和运用信息的功能。运用信息的功能。Brillouin LBrillouin L提出，信息应是熵的负值，信息是负熵，提出，信息应是熵的负值，信息是负熵，信息的失去为负熵的增加所补偿，麦克斯韦妖将负熵输入给体系，降信息的失去为负熵的增加所补偿，麦克斯韦妖将负熵输入给体系，降低了体系的熵，而麦克斯韦妖为能获取信息，必须有一个温度与环境低了体系的熵，而麦克斯韦妖为能获取信息，必须有一个温度与环境不同的微型光源去照射分子，消耗的能量产生额外的熵，以补偿体系不同的微型光源去照射分子，消耗的能量产生额外的熵，以补偿体系的熵的减少。所以，即使真有麦克斯韦妖存在，也不违反热力学第二的熵的减少。所以，即使真有麦克斯韦妖存在，也不违反热力学第二定律。定律。第34页，本讲稿共35页作业：我眼中的熵（不限字数，两个星期后交）第35页，本讲稿共35页