1、1,四.宏观理论,从实验归纳总结,定律,热力学第一定律 热力学第二定律,地位：相当于力学中的牛顿定律,-能量转化 -过程方向性,热力学第零定律(热平衡),热力学第三定律(绝对零度不可能达到),2,适用一切过程 一切系统,1.热力学第一定律 1）表达式,内能 E - 状态参量 与过程无关,普遍的能量转化和守恒定律,A作功、Q传热 - 过程量,3,历史:在研究提高热机的工作效率过程中 总结出热力学第一定律和第二定律,卡诺热机(最理想热机),热机效率,卡诺热机,4,卡诺循环只与两个恒温热源交换能量的无摩擦的准静态循环,卡诺热机,热流图,P V 图,5,如果,则意味着,没有低温热源的热机,热二律:造不
2、出单热源热机热三律:绝对零度达不到,想得到百分之百效率的热机,6,2. 热力学第二定律的宏观表述1）克劳修斯(Clisuis)表述：,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,2）开尔文（Kelvin)表述：,其唯一效果是热全部转变成功的过程是不可能发生的,(制冷机),(热机),7,3.热力学第二定律的微观解释1)宏观状态与微观状态,宏观上看： 左、右两部分各有多少粒子 而不去区分究竟是哪个粒子 微观上看： 具体哪个粒子在哪？ 编号为,宏观态 微观态,4,6,4,1,1,8,2)热力学几率(概率)一个宏观态对应的微观态数目叫做这一宏观态的热力学几率,3)等几率假设孤立系统中 每个微观态出现的几率相
3、同 4)在诸多的宏观态中 热力学几率大的宏观态最易出现,(平衡态),9,5)热律的微观解释 自发过程的方向性 如 自由膨胀,有序,无序,自然过程从热力学几率小向热力学几率大的方向进行 宏观上认为不可能出现的状态 在微观上认为是可能的 只不过几率太小而已 热律是统计规律 (与热律不同),10,6)熵的玻耳兹曼定义式,熵是状态参量,是系统紊乱程度的量度 与 E T P 同地位,11,引入熵的意义 理论上 是热力学系统的共同特征 判断自然过程有统一标准 实际上 熵的数据是设计新产品的重要技术指标,12,4.熵增加原理 热律的数学表述孤立系统自发过程方向性问题,可逆过程,不可逆过程,表述：孤立系统内进
4、行的过程 熵永不减少,孤立系统内过程必有,实际一个过程还可能有,注意:,13,楼塌是一个从有序到无序的过程 熵增过程 不可收拾 不可逆,14,五. 研究对象的理想特征,1.对象,理想气体,宏观定义： 严格遵守气体三定律实际气体理想化： P 不太高 T 不太低,微观上也有定义 理论框架主体是 理想气体,1) 在理想气体理论 基础上加以修正,2) 经验,15,2.状态,平衡态,定义： 在不受外界影响的条件下 对一个孤立 系统 经过足够长的时间后 系统达到 一个宏观性质不随时间变化的状态,用一组宏观量描述某时的状态,非平衡态,16,实际上的处理： 是否可看作平衡态？足够长 实在不行 - 分小块 远离
5、平衡态 -非线性 耗散结构,注意区分平衡态和稳定态,17,每一时刻系统都处于平衡态 实际过程的理想化-无限缓慢(准) “无限缓慢”：系统变化的过程时间驰豫时间 如 气体的准静态压缩,过程时间 1 秒,3.过程,准静态过程,18,准静态传热,准静态过程,每一微小过程均是平衡过程,19,实际过程太迅速了 怎么办？修正原理论更普遍的理论或经验本课程 ： 气体分子动理论平衡态下 理想气体的状态量与微观量的关系 热力学基础 实验的总结-必定涉及过程结论是普适的（对象 过程不限）但 具体的理论计算 必是理气、准静态过程,20,1.问题的提出 1）按克劳修斯热力学理论,六.开放系统 热力学第二律的普遍形式,
6、21,2）按达尔文进化论,生物由单细胞,人,进化,(极为有序),越来越复杂 越来越有序,(熵减少),22,2.自组织现象 1）现象,在一定外界条件下 系统内部 自发地由无序 有序的现象,无生命和有生命世界 都有自组织现象(变为有序),23,2）耗散结构-自组织形成的有序结构,自组织现象是自发进行的 但, 需外界提供触发条件, 耗散外界的能量 质量,24,3. 开放系统 热力学第二律的普遍形式,1.）孤立系统,自发过程：,有序 无序,内部不可逆过程引起的熵变-,熵产生 di S,由熵增加原理,外界,孤立系统,di S,(和外界无能量和物质的交换),25,2）开放系统,(和外界有能量和物质的交换)
7、, 熵变,di S (系统熵产生),de S (与外界交换能量和物质引起的熵变 ) -熵流, de S 可,外界,系统,di S,de S,实现自组织现象系统必须开放,26,开放系统总熵变：,27,3）热二律的普遍形式,开放系统,经历任何过程 系统的总熵变永不小于熵流,要求 0,28,开放系统自外界吸取能量 即输入负熵, 对孤立系统 deS = 0, 开放系统的熵可增 可减,dS = di S 0,(回到原来的热二律),29,4.生命过程,耗散结构打开从 物理科学 生命科学 的窗口,30,生命过程-耗散过程,热平衡-死亡,薛定谔：生命是什么?,“生命之所以能存在，就在于从环境 中不断得到 负熵”,高熵-混乱,31,32, 必须是开放系统, 维持低熵状态,低熵高能食物-如碳水化合物,低熵低能食物-净水,动物 要吃低熵食物,有机物, 和周围环境有物质和能量交换,小结：, 摄入低熵物质 排出高熵物质,将来食品是否应标注:低熵还是高熵?,
