热学要点(三):热力学第二定律

文摘   教育   2024-06-27 11:38   广东  
01

可逆与不可逆过程




一个系统从状态  出发,经过一个过程  ,到达状态  ,如果存在另一个过程  ,它能使系统从  回到  ,并消除一切其他影响,则  和  互为可逆过程,若找不到任何过程能使系统和外界复原,则  就是不可逆过程。


虽然微观粒子所经历的物理过程是可逆的,但是大量的粒子组成的热力学系统(也就是宏观体系)所经历的任何过程都是不可逆的,不同的宏观过程的不可逆性是相互等价的。


02

热力学第二定律的意义




既然一切宏观过程都是不可逆的,那说明任何宏观过程都有一个自发进行的方向,相反的方向不能自动进行,热力学第二定律就是用来保证这一点的,有了它,人们不再陷入那种迷茫,例如:有没可能热自动的从低温物体传到高温物体呢?



03

热力学第二定律的两种表述




开尔文表述:不可能从单一热源吸热,使之完全变成有用功,而不引起其他的变化。


克劳修斯表述:热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。


两种表述是等价的(根据逆否命题与原命题等价来说明),如下图所示,若违反了开尔文表述,则必然导致克劳修斯表述也被违反了,反过来也可以说明。



04

热力学第二定律的统计解释




系统的每一个宏观态包含  数目的微观态,全部微观态会以相同的概率出现,因此拥有微观态数目多的宏观态出现的概率大,自然界的一切宏观过程总是使系统自发朝拥有最多的微观态数目的宏观态演化,这是热力学第二定律的统计意义。



05

卡诺定理




在两个恒温热源  (高温)和  (低温)之间工作的一切可逆热机,效率相同,且与工作物质的类型无关,都是  。


在两个恒温热源  (高温)和  (低温)之间工作的一切不可逆热机,其效率不可能大于可逆热机的效率,即  。



06

熵的定义




克劳修斯熵 任何两个状态的之间的熵增,等于完整微分  对一个可逆过程的积分,而大于  对一个不可逆过程的积分。


克劳修斯公式给出了一种计算两个态之间的熵差的方法:找一个可逆过程连接这两个态即可。


熵是一个态函数,克劳修斯公式定义了熵的相对值,类似于保守力的势能函数。


玻尔兹曼熵 

其中  为玻尔兹曼常数,  为系统的微观态数目。玻尔兹曼熵给出了熵的绝对数量。理论表明,玻尔兹曼熵与克劳修斯熵是一致的。


微观态代表微观多样性,因此拥有的微观态数越多的宏观态,其内部的多样性就越丰富,也可以理解为其成分和结构越混乱。因此熵就反映了热力学体系的混乱度:熵越大,体系就越混乱。



07

熵的计算公式




根据热力学第一定律 


代入克劳修斯熵 得  两态之间的熵差为 式中  为气体摩尔数。


对等温过程,上式变为 对等容过程,上式变为 如果是等压,可以推出 


08

熵增加原理




根据克劳修斯熵,如果一个系统保持孤立,即  ,那么必有 

即孤立系统所经历的一切过程,熵都不会减少。式中的等号是取在当热力学过程可逆时,既然一切宏观过程都是不可逆的,那么对实际过程,上式为 即: 孤立系统所经历的任何过程都会导致熵增加,这就是熵增加原理。

 

The End



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物含妙理
境自远尘皆入咏,物含妙理总堪寻。
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