熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理3名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)市公開(kāi)課獲獎(jiǎng)?wù)n件

同學(xué)們好J.E克勞修斯(1822-1888)第1頁(yè)1第五節(jié)熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換和守恒定律凡違反熱力學(xué)第一定律過(guò)程不可能發(fā)生。——第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能成功！是否凡遵從熱力學(xué)第一定律過(guò)程一定發(fā)生？功熱轉(zhuǎn)換熱傳導(dǎo)擴(kuò)散…...能量轉(zhuǎn)換有一定方向和程度熱力學(xué)第二定律：描述自然界能量轉(zhuǎn)換方向和程度。用否定形式表述表述方式多樣反證法統(tǒng)計(jì)意義…...特征第2頁(yè)2一、熱力學(xué)第二定律兩種經(jīng)典表述及其等效性1.開(kāi)爾文表述(K)從熱機(jī)角度（熱功轉(zhuǎn)換角度）說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換方向和程度:*不可能從單一熱源吸收熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響?；颍?惟一效果是熱全部轉(zhuǎn)換為功過(guò)程是不可能實(shí)現(xiàn)。*單熱源熱機(jī)是不可能制成。TQA*第3頁(yè)3注意了解：

熱力學(xué)第一定律和第二定律是相互獨(dú)立。比較：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)：第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)：不耗能，只做功違反熱力學(xué)第一定律違反熱力學(xué)第二定律第4頁(yè)4熱力學(xué)第二定律并不意味著熱不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣﹃P(guān)鍵詞：“無(wú)其它影響”熱完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?而且系統(tǒng)和外界均復(fù)原是不可能。例：理想氣體等溫膨脹不違反熱力學(xué)第二定律第5頁(yè)5熱力學(xué)第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換方向性功自發(fā)熱100%轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%轉(zhuǎn)換熱力學(xué)第二定律與能源危機(jī)能量做功能力下降，能量品質(zhì)下降。熱力學(xué)第二定律:熱力學(xué)第一定律:能量轉(zhuǎn)換并守恒，何來(lái)能源危機(jī)？第6頁(yè)62.

克勞修斯表述

(C)從致冷機(jī)角度（熱傳導(dǎo)角度）說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換方向和程度：*熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體?；颍?第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能成功。*QA=0Q第7頁(yè)7注意了解：熱力學(xué)第二定律指出了熱傳導(dǎo)方向性高溫自動(dòng)低溫低溫非自動(dòng)高溫（外界做功）熱力學(xué)第二定律并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體關(guān)鍵詞：“自動(dòng)”即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能在不產(chǎn)生其它影響情況下自發(fā)進(jìn)行。例：電冰箱第8頁(yè)83.兩種表述等效性正定理：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一定不成立用反證法證實(shí)后兩項(xiàng)第9頁(yè)9假如K不成立，則存在單熱源熱機(jī)，建立如圖所表示聯(lián)合循環(huán)，無(wú)其它影響，故C不成立總效果：第10頁(yè)10

假如C不成立，則存在A=0致冷機(jī)，建立如圖所表示聯(lián)合循環(huán)總效果：無(wú)其它影響，故K不成立。由，

C、K兩種表述等效。第11頁(yè)114.

熱力學(xué)第二定律表述多樣性凡滿(mǎn)足能量守恒定律，而實(shí)際上又不可實(shí)現(xiàn)過(guò)程都能夠作為熱力學(xué)第二定律一個(gè)表述，而且彼此等效。K，C為兩種標(biāo)準(zhǔn)表述抓住經(jīng)典過(guò)程：從熱機(jī)，致冷機(jī)角度闡述。歷史上最早提出練習(xí)：判斷正誤熱量不能從低溫物體傳向高溫物體熱不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α痢恋?2頁(yè)12二、熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)1.可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程定義：設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)程為可逆過(guò)程為不可逆過(guò)程例：理想氣體等溫膨脹可逆性分析無(wú)摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行有摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行無(wú)摩擦，非靜態(tài)進(jìn)行第13頁(yè)13

無(wú)摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行正向：逆向：總效果：外界與系統(tǒng)均復(fù)原原過(guò)程為可逆過(guò)程第14頁(yè)14有摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行正向：（體積功）（摩擦功）(>0)(>0)逆向：(<0)(>0)第15頁(yè)15由熱力學(xué)第二定律，不能使內(nèi)能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響，外界不能復(fù)原。所以，原過(guò)程不可逆。造成不可逆原因：存在摩擦總效果系統(tǒng)復(fù)原恒溫?zé)嵩矗恨D(zhuǎn)變?yōu)橥饨鐑?nèi)能無(wú)摩擦，非靜態(tài)進(jìn)行正向（快提）第16頁(yè)16總效果：外界做功：得熱：由熱力學(xué)第二定律，不能使這部分熱還原成功而不產(chǎn)生其它影響，即外界不能復(fù)原。

所以，原過(guò)程不可逆。造成不可逆原因：快速進(jìn)行，非靜態(tài)過(guò)程。逆向（快壓）第17頁(yè)17摩擦（能量耗散）快速（非靜態(tài)）只有沒(méi)有摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程可逆過(guò)程是對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程深入理想化練習(xí)：判斷以下說(shuō)法正誤

可逆過(guò)程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程不一定是可逆過(guò)程

不可逆過(guò)程不一定非靜態(tài)

非靜態(tài)過(guò)程一定不可逆卡諾循環(huán)是理想可逆循環(huán)不計(jì)摩擦、漏氣準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行√√√√第18頁(yè)182.

熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)從可逆、不可逆過(guò)程角度看熱力學(xué)第二定律功自發(fā)熱100%轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%轉(zhuǎn)換開(kāi)爾文表述：克勞修斯表述：熱傳導(dǎo)不可逆高溫自動(dòng)低溫低溫非自動(dòng)高溫（外界做功）(1)揭示一切自發(fā)燒力學(xué)過(guò)程不可逆性——時(shí)間箭頭熱力學(xué)原因？動(dòng)力學(xué)原因？第19頁(yè)19古人對(duì)時(shí)間看法君不見(jiàn)黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回。動(dòng)力學(xué)原因君不見(jiàn)高堂明鏡悲白發(fā)，朝如青絲暮成雪。熱力學(xué)原因白駒過(guò)隙(2)指出宏觀熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行條件和方向溶解、擴(kuò)散、生命……

一切與熱現(xiàn)象相關(guān)宏觀實(shí)際過(guò)程都是不可逆，其自發(fā)進(jìn)行含有單向性。該定律揭示出各種運(yùn)動(dòng)形式存在著質(zhì)差異。各種運(yùn)動(dòng)形式間轉(zhuǎn)換存在著方向和極限。問(wèn)題自然過(guò)程向什么方向進(jìn)行？第20頁(yè)20單向性：什么方向？功：與宏觀定向運(yùn)動(dòng)相聯(lián)絡(luò)，有序運(yùn)動(dòng)熱：與分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)相聯(lián)絡(luò)自動(dòng)非自動(dòng)熱傳導(dǎo)高溫低溫差異無(wú)序性自動(dòng)低溫高溫差異無(wú)序性非自動(dòng)單向性：無(wú)序性增大方向?qū)嶋H自發(fā)燒力學(xué)過(guò)程都向無(wú)序性增大方向進(jìn)行從微觀角度討論無(wú)序性意義自由膨脹體積可能位置無(wú)序性自動(dòng)體積可能位置無(wú)序性非自動(dòng)真空第21頁(yè)21三、熱力學(xué)第二定律統(tǒng)計(jì)意義1.無(wú)序性量度——熱力學(xué)概率以理想氣體自由膨脹為例設(shè)分子數(shù)：4真空抽去隔板后可能情況以下列圖表：第22頁(yè)2216種微觀態(tài)，5種宏觀態(tài)。第23頁(yè)23每秒放映1億張，（普通電影24/秒）理想氣體自由膨脹分子數(shù)可能微觀態(tài)數(shù)宏觀態(tài)數(shù)每種微觀態(tài)出現(xiàn)概率234N345第24頁(yè)24等概率原理：系統(tǒng)每種微觀態(tài)出現(xiàn)概率相同。由此，包含微觀態(tài)越多宏觀態(tài)出現(xiàn)概率越大。定義：宏觀態(tài)中包含微觀態(tài)數(shù)目叫做該宏觀態(tài)熱力學(xué)概率。意義：該宏觀態(tài)所包含微觀態(tài)數(shù)越多，確定系統(tǒng)微觀態(tài)越困難，系統(tǒng)無(wú)序性越高。熱力學(xué)概率是系統(tǒng)無(wú)序程度量度。比較：統(tǒng)計(jì)學(xué)概率w與熱力學(xué)概率第25頁(yè)25比較：統(tǒng)計(jì)學(xué)概率w與熱力學(xué)概率宏觀態(tài)出現(xiàn)概率W=每種微觀態(tài)出現(xiàn)概率w×熱力學(xué)概率w，W：小于1；大于1由等概率原理：第26頁(yè)262.

熱力學(xué)第二定律統(tǒng)計(jì)意義實(shí)際自發(fā)熱力學(xué)過(guò)程是不可逆，總是沿著系統(tǒng)熱力學(xué)概率（無(wú)序性）增加方向進(jìn)行。無(wú)序性減小狀態(tài)不是絕對(duì)不可能發(fā)生，而是發(fā)生可能性趨于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亞作品；狗與跳蚤故事……)熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)大量粒子體系才有意義，對(duì)只含少數(shù)分子系統(tǒng)不適用。第27頁(yè)27比較：熱力學(xué)第一定律：嚴(yán)格成立，不能違反熱力學(xué)第二定律：統(tǒng)計(jì)規(guī)律，違反概率太小對(duì)大量分子體系適用練習(xí)：熱力學(xué)第二定律經(jīng)典思想方法：反證法1.證實(shí)兩條絕熱線(xiàn)不相交設(shè)兩個(gè)絕熱線(xiàn)交于B，可作一等溫線(xiàn)與兩條絕熱線(xiàn)組成一循環(huán)，形成單熱源熱機(jī)，違反熱力學(xué)第二定律。所以，原假設(shè)不成立，兩絕熱線(xiàn)不能相交。第28頁(yè)282.證實(shí)一條等溫線(xiàn)和一條絕熱線(xiàn)不能有兩個(gè)交點(diǎn)．四、卡諾定理2)在相同高溫?zé)嵩春拖嗤蜏責(zé)嵩撮g工作一切不可逆熱機(jī)，其效率不可能大于可逆熱機(jī)效率。1)在相同高溫?zé)嵩?/p>