熱力學(xué)第二定律-1

熱力學(xué)第一定律給出了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中必須遵循的規(guī)律，但并未限定過(guò)程進(jìn)行的方向。觀察與實(shí)驗(yàn)表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是不可逆的，或者說(shuō)是有方向性的。例如，熱量可以從高溫物體自動(dòng)地傳給低溫物體，但是卻不能從低溫傳到高溫。對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的解釋需要一個(gè)獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的新的自然規(guī)律，即熱力學(xué)第二定律。前言7.5熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。

與之相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是，當(dāng)兩個(gè)不同溫度的物體相互接觸時(shí)，熱量將由高溫物體向低溫物體傳遞，而不可能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體。如果借助制冷機(jī)，當(dāng)然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價(jià)，也就是引起了其他變化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過(guò)程是不可逆的。一.熱力學(xué)第二定律注意理解以下兩點(diǎn)：（2）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）（1）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自發(fā)進(jìn)行，不能不產(chǎn)生其它影響。例：電冰箱開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。與之相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是，功可以完全變熱，但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響是不可能的。如，利用熱機(jī)，但實(shí)際中熱機(jī)的循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?，即產(chǎn)生了其它效果。熱全部變?yōu)楣Φ倪^(guò)程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但在這一過(guò)程中除了氣體從單一熱源吸熱完全變?yōu)楣ν猓€引起了其它變化，即過(guò)程結(jié)束時(shí)，氣體的體積增大了?；颍篢QA*違反熱力學(xué)第二定律，是不可能實(shí)現(xiàn)的。巨輪不斷吸收海水，提取其內(nèi)能，將其變成冰塊，再拋入海中。就可以持續(xù)航行了。注意理解以下四點(diǎn)：（1）熱力學(xué)第一定律和第二定律是互相獨(dú)立的。比較：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律不耗能，只做功違反熱力學(xué)第一定律（2）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”熱可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，但是系統(tǒng)和外界均復(fù)原是不可能的。例：理想氣體等溫膨脹不違反熱力學(xué)第二定律（3）熱力學(xué)第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換的方向性功自發(fā)熱100%轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%轉(zhuǎn)換熱傳導(dǎo)的方向性擴(kuò)散的方向性熱功轉(zhuǎn)換方向性熱剎車(chē)摩擦生熱。烘烤車(chē)輪，車(chē)不開(kāi)。熱量不能自動(dòng)從低溫高溫自由膨脹，不可自動(dòng)收縮二.熱力學(xué)第二定律的實(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：理想氣體等溫膨脹的可逆性分析（1）無(wú)摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行（2）有摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行（3）無(wú)摩擦，非靜態(tài)進(jìn)行（1）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TT（2）有摩擦，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行正向：（體積功>0）（摩擦功>0）逆向：(<0)(>0)由熱力學(xué)第二定律，不能使熱完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響，所以外界不能復(fù)原。原過(guò)程不可逆造成不可逆的原因：存在摩擦總效果系統(tǒng)復(fù)原摩擦功轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵯蛲饨缫萆ⅲ?）無(wú)摩擦，非靜態(tài)進(jìn)行正向（快提）氣體分子來(lái)不及均勻分布由熱力學(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)原造成不可逆的原因：快速進(jìn)行，非靜態(tài)過(guò)程逆向（快壓）總效果外界做功：得熱：可逆過(guò)程是對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的進(jìn)一步理想化卡諾循環(huán)是理想的可逆循環(huán)：不計(jì)摩擦、漏氣，準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行。只有無(wú)摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程摩擦（能量耗散）快速（非靜態(tài)）可逆熱力學(xué)過(guò)程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程一定是可逆過(guò)程不可逆過(guò)程就是不能向相反的方向進(jìn)行凡有摩擦的過(guò)程一定是不可逆的可逆過(guò)程一定是平衡過(guò)程平衡過(guò)程一定是可逆的不可逆過(guò)程一定是非平衡的非平衡過(guò)程一定是不可逆的練習(xí).判斷正誤2.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)功自發(fā)熱100%轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%轉(zhuǎn)換（向低溫?zé)嵩捶艧幔╅_(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）從可逆、不可逆過(guò)程的角度看熱力學(xué)第二定律做功、傳熱、溶解、擴(kuò)散、生命…一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀實(shí)際過(guò)程都不是嚴(yán)格無(wú)摩擦、準(zhǔn)靜態(tài)的，所以都是不可逆的，其自發(fā)進(jìn)行具有單向性.

單向性：什么方向？1）

功：與宏觀定向運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，有序運(yùn)動(dòng)熱：與分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系自動(dòng)非自動(dòng)2）熱傳導(dǎo)：

高溫低溫差別無(wú)序性自動(dòng)低溫高溫差別無(wú)序性非自動(dòng)單向性：無(wú)序性增大的方向?qū)嶋H自發(fā)熱力學(xué)過(guò)程都向無(wú)序性增大的方向進(jìn)行3）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)真空初始狀態(tài)搖動(dòng)后幾率很小

熱力學(xué)第二定律指出了熱量傳遞方向和熱功轉(zhuǎn)化方向的不可逆性，這一結(jié)論，可從微觀角度出發(fā)，從統(tǒng)計(jì)意義來(lái)進(jìn)行解釋。幾率大三、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義從微觀角度討論無(wú)序性的意義

氣體自由膨脹的不可逆性可用幾率來(lái)說(shuō)明。ABabc隔板2118=3a、b、c

三個(gè)分子在A、B兩室的分配方式abcabbccacabcababccabcab00A室B室12a分子出現(xiàn)在A室的幾率為、bac、三分子全部回到A室的幾率為ba、二分子回到A室的幾率為2114=2

以上推導(dǎo)說(shuō)明：不可逆過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)從幾率較小的狀態(tài)到幾率較大的狀態(tài)的變化過(guò)程

能量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩吹膸茁室确聪騻鬟f的幾率大得多。

在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)，一切實(shí)際自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程都是向著狀態(tài)的幾率增大方向進(jìn)行。

宏觀物體有規(guī)則機(jī)械運(yùn)動(dòng)（作功）轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿訜o(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的幾率要比反向轉(zhuǎn)變的幾率大得多。只有在理想的可逆過(guò)程中，幾率才保持不變。

個(gè)分子全部自動(dòng)收縮到A室的幾率為N011220N~~10230由此，包含微觀態(tài)越多的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率越大。當(dāng)粒子數(shù)足夠多時(shí)，實(shí)際上所觀察到的宏觀態(tài)——最概然分布。定義：宏觀態(tài)中包含的微觀態(tài)的數(shù)目叫做該宏觀態(tài)的熱力學(xué)概率意義：該宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)越多，確定系統(tǒng)的微觀態(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)序程度的量度2.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義實(shí)際自發(fā)的熱力學(xué)過(guò)程是不可逆的，總是沿著系統(tǒng)熱力學(xué)概率（無(wú)序性）增加的方向進(jìn)行。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)分子的系統(tǒng)不適用。

無(wú)序性減小的狀態(tài)不是絕對(duì)不可能發(fā)生，而是發(fā)生的可能性趨于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亞作品；狗與跳蚤的故事……)卡諾定理:=：對(duì)應(yīng)可逆機(jī)；<：對(duì)應(yīng)不可逆機(jī)循環(huán)中高溫?zé)嵩吹淖罡邷囟?；循環(huán)中低溫?zé)嵩吹淖畹蜏囟?；熱機(jī)效率的極限：提高熱機(jī)效率的途徑：盡量提高兩熱源的溫差；盡量減少不可逆因素：耗散、非靜態(tài)。3.卡諾定理問(wèn)題的提出熱力學(xué)第一定律：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)定量化引入系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)

E

熱力學(xué)第二定律：第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)普遍的數(shù)學(xué)形式定量化？從不同角度，引入系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)S克勞修斯玻爾茲曼四.熵，熵增加原理一、玻爾茲曼熵公式1.定義維也納中央公園玻爾茲曼墓碑上沒(méi)有任何墓志銘，只刻著熵的定義式“寫(xiě)下這些記號(hào)的難道是一位凡人嗎？”——《浮士德》（歌德）物理學(xué)中最重要的公式之一2.物理意義1）熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)一定的宏觀態(tài)——包含的微觀態(tài)確定——對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)概率Ω

確定——熵S

確定。Ω：數(shù)字太大，對(duì)幾個(gè)系統(tǒng)不具有可加性為什么定義？2）熵是系統(tǒng)無(wú)序性大小的量度3）熵是系統(tǒng)接近平衡態(tài)程度的一種量度平衡態(tài)：差別消失，無(wú)序性最大，最概然狀態(tài)1.用熵S

表述熱力學(xué)第二定律二、熵增加原理孤立系統(tǒng)中自然發(fā)生的熱力學(xué)過(guò)程總是向著熵增大的方向進(jìn)行。條件：孤立系統(tǒng)（絕熱、無(wú)外界影響，Q=0A=0）自然發(fā)生——不可逆結(jié)論：2.意義1）是統(tǒng)計(jì)規(guī)律：熵減小的過(guò)程不是絕對(duì)不可能發(fā)生，而是在大量粒子組成的群體中出現(xiàn)的概率極小，以至不出現(xiàn)。2）自然界的實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程，即熵增加的過(guò)程，大量能源的使用加速了這一過(guò)程。而熵的增加導(dǎo)致了世界混亂度的增加。

每利用一份能量，就會(huì)得到一定的懲罰--把一部分本來(lái)可以利用的能量變?yōu)橥嘶哪芰?；可以證明：退化的能量實(shí)際上就是環(huán)境污染的代名詞。節(jié)約能源就是保護(hù)環(huán)境。而保護(hù)環(huán)境就是保護(hù)人類(lèi)的生存條件，非同小可。熵是事物無(wú)序度的量度因?yàn)殪厥桥c微觀狀態(tài)的對(duì)數(shù)成正比的，微觀狀態(tài)數(shù)越大，混亂度就越大。信息量越小。相反熵減小則有序度增加。以一個(gè)N個(gè)分子的物質(zhì)系統(tǒng)為例：讓其冷卻，放出熱量，先是碰撞次數(shù)減少，引起混亂的平均速率減小。繼而變?yōu)橐后w時(shí)這時(shí)分子以振動(dòng)為主，平動(dòng)為輔，位置相對(duì)固定，有序度增加，溫度再降低時(shí)，分子在平衡位置附近振動(dòng)更加序。事實(shí)上平衡態(tài)是最無(wú)序。最無(wú)信息量，最缺活力的狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)雜談人們發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)界、無(wú)生命的世界總是從有序向無(wú)序變化，但生命現(xiàn)象卻越來(lái)越有序，生物由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展、進(jìn)化。以致出現(xiàn)人類(lèi)這樣高度有序的生物。意大利科學(xué)家普里高津提出了耗散結(jié)構(gòu)理論，解釋了這個(gè)問(wèn)題。開(kāi)放系統(tǒng)---與外界有物質(zhì)和能量的交換的系統(tǒng)原來(lái)生命是一開(kāi)放系統(tǒng)。其熵變由兩部分組成。系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熵，總為正值。與外界交換的熵流，其值可正可負(fù)。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)不斷消耗能源與物質(zhì)，從熵流中獲取負(fù)熵，從而使系統(tǒng)在較高層次保持有序。正如薛定諤指出來(lái)的：‘生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不斷地獲得負(fù)熵’。感冒：起因---運(yùn)動(dòng)或勞累過(guò)后，身體消耗大量能量，產(chǎn)生大量廢熱（體內(nèi)熵大增）如能迅速排除，人相安無(wú)事。但如此時(shí)或吹風(fēng)、或著涼皮膚，并下令皮膚毛細(xì)血管收縮阻止身體散熱，這樣體內(nèi)原有積熵排不出，還進(jìn)一步產(chǎn)生積熵，以致積熵過(guò)剩。熵是無(wú)序度的量度。因此人體內(nèi)二千多化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始混亂--使人頭痛、發(fā)燒、畏寒畏冷、全身無(wú)力。抵抗力減弱…..人因此感冒了.,皮膚感到過(guò)涼，此信息傳到大腦的調(diào)溫中心---丘腦，進(jìn)行調(diào)溫以暖中醫(yī)說(shuō):內(nèi)有虛火,外感風(fēng)寒.西醫(yī)說(shuō):感冒了,有炎癥.物理說(shuō):如何治療呢?中醫(yī)說(shuō):西醫(yī)說(shuō):物理說(shuō):發(fā)汗清熱.退熱消炎積熵過(guò)剩.消除積熵.癌癥:由于各種原因,致使體內(nèi)某一部分的混亂度大幅度增長(zhǎng).以致破壞了細(xì)胞再生時(shí)的基因密碼的有序遺傳,細(xì)胞無(wú)控制地生長(zhǎng),產(chǎn)