任意可逆循环的热温比的和为零

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第二章热力学第二定律(习题)

第二章热力学第二定律(习题)

第二章 热力学第二定律(习题)第二章 热力学第二定律一、填空题1、可逆循环的热温商之和等于 ,在工作于温度为T 1与T 2两热源间的所有热机中,只有 热机的效率最高,它的效率值可达η= 。

2、历史上曾提出过两类永动机。

第一类永动机指的是 就能做功的机器。

因为它违反了 定律,所在造不出来。

第二类永动机指的是 ,它并不违反 定律,但它违反了 定律,故也是造不出来的。

3、熵是系统的状态函数,按性质的分类,熵属于 性质。

在隔离系统中,一切可能发生的宏观过程都是 过程,均向着系统的熵值 的方向进行。

直至平衡时,熵值达到此条件下的 为止。

在隔离系统中绝不会发生熵值 的过程。

4、从熵的物理意义上看,它是量度系统 的函数。

当物质由它的固态变到液态,再变到气态时,它的熵值应是 的。

而当温度降低时,物质的熵值应是的。

热力学第三定律的内容是 。

5、下列各公式的适用条件分别是:对亥氏函数判据公式△A≤0,是。

对吉氏函数判据公式△G≤0,是 。

对热力学基本方程式,如dG=-SdT+Vdp 等,是 。

6、热力学第一定律△U=Q+W 的适用条件是 ;热力学第二定律△S≥0作判据时的适用条件是 ;热力学第三定律S (0K )=0的适用条件是 。

7、理想气体的恒温过程为恒 的过程;所有气体的节流膨胀为恒 过程;所有系统的可逆绝热过程为恒 ;所有恒温恒压下的可逆相变过程为恒 的过程。

8、理想气体从相同始态分别经绝热可逆膨胀和绝热不可逆膨胀到相同的终态压力,则终态的温度T 可逆 T不可逆,终态的体积V 可逆 V 不可逆(填入>、<或=)。

9、对于U 、H 、S 、F 和G 等热力学量,(1)在绝热定容反应器中反应,过程中不变的量是 。

(2)在373K 和101325Pa 下,液体水气化过程中不变的量是 。

(3)气体绝热可逆膨胀过程中不变的量是 。

(4)理想气体节流膨胀过程中不变的量是 。

10、理想气体等温向真空膨胀,体积由V1变到V2,其△U ,△S 。

大学物理第 13 章 第 5 次课 -- 熵变的计算 熵增加原理

大学物理第 13 章 第 5 次课 --  熵变的计算 熵增加原理

由能量守恒得: 高温水放出的热量等于低温水吸收的热量
0.30 c p (T1 T ' ) 0.70 c p (T ' T2 )

解得
0.30 c p (363K T ' ) 0.70 c p (T ' 293K)
T ' 314K
上海师范大学
3 /15
§13.7
熵 熵增加原理
三、计算题 60分, 5小题, 每小题12分: 每章一题
关于期终成绩
一、平时成绩 占30%: 包括上课纪律, 考勤, 作业和期中考试成绩; 二、期终考试成绩占70%
上海师范大学
15/15
dS dQ T
*B
o
V
由上两式可以(只能)计算在一个热力学过程中熵的变化. 注意如下二点: (1) 熵是态函数, 当始末两平衡态确定后, 系统的熵变也是确定的, 与过程
无关. 因此, 可在两平衡态之间假设任一可逆过程, 从而可计算熵变 .
(2) 当系统分为几个部分时, 各部分的熵变之和等于整个系统的熵变 .
上海师范大学
5 /15
§13.7
熵 熵增加原理
高低温水的混合过程是不可逆的过程, 熵是增加的; 热传递过程是不可逆的过程, 熵是增加的.
将上述结论推广到一般情况, 可以得到如下的原理.
三、熵增加原理:孤立系统中的熵永不减少.
S 0
孤立系统不可逆过程 孤立系统可逆过程
S 0 S 0
上海师范大学
2 /15
§13.7
熵 熵增加原理
例1 计算不同温度液体混合后的熵变 . 质量为0.30 kg、温度为900C 的水,
与质量为 0.70 kg、 温度为200C 的水混合后,最后达到平衡状态. 试求水的熵

大学物理(下册)课件13.6熵和熵增加原理

大学物理(下册)课件13.6熵和熵增加原理

2.任意可逆循环:可视为许多可逆卡诺循环所组成;
任一微小可逆卡诺循环: p Qi
Qi Qi1 0 (3) Ti Ti1
对所有微小循环求和:
Qi 0
o
i Ti 当i
时,则:
dQ T
0
Qi1 V
(4)
结论: 对任一可逆循环过程, 热温比之和为零。该结
论称为克劳修斯等式。
3.熵(Entropy)是态函数
(1)
热力学概率(微观状态数)、无序度、混乱度. 1.熵是孤立系统的无序度的量度. 2. 熵概念使热力学第二定律得到统一的定量的表述 .
生命科学: 熵的高低反映生命力的强弱. 信息论: 负熵是信息量多寡的量度.
玻尔兹曼墓碑
为了纪念玻尔 兹曼给予熵以统计 解释的卓越贡献 , 他的墓碑上寓意隽 永地刻着:
非平衡态
不可逆过程 自发过程
平衡态(熵增加)
a.熵增加原理成立的条件: 孤立系统或绝热过程; b.熵增加原理的应用 :给出自发过程进行方向的判椐 .
注意:关于熵增加原理与热力学第二定律 热力学第二定律亦可表述为 : 一切自发过程总是向 着熵增加的方向进行。
13.6.3 玻尔兹曼关系式
玻尔兹曼关系式: S k ln
S k logW (2)
这表示人们对玻尔 兹曼的深深怀念和 尊敬.
SB
SA
BdQ
系统的熵变 .
13.6.2 熵增加原理
熵增加原理:孤立系统的熵永不减少.
S 0
孤立系统不可逆过程:S 0 孤立系统可逆过程: S 0
a. 孤立系统中的可逆过程,其熵不变;
b. 孤立系统中的不可逆过程,其熵增加;
例:平衡态 A 可逆过程 平衡态 B (熵不变)

热力学第二定律

热力学第二定律

五、热力学第二定律的统计意义
A
B
不可逆过程的初态和终态存在怎样的差别?
以气体自由膨胀为例,假设A中装有a、b、c、d
4个分子(用四种颜色标记)。开始时,4个分子都 在A部,抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器 内无规则运动。
分布
详细分布
(宏观态) (微观态)
A4B0(宏观态) 微观态数 1
A3B1(宏观态) 微观态数4
六、熵的计算
为了正确计算熵变,必须注意以下几点:
1. 对于可逆过程熵变可用下式进行计算
S2
S1
12
dQ T
2. 如果过程是不可逆的不能直接应用上式。
由于熵是一个态函数,熵变和过程无关,可以
设计一个始末状态相同的可逆过程来代替,然后再
应用上式进行熵变的计算。
例6-11 今有1kg 0 ºC的冰熔化成0 ºC 的水,求其熵 变(设冰的熔解热为3.35105 J/kg)。
温馨 提示
1. 热一律给出了内能与其他形式的能量相互转化时, 总数量的守恒关系。热二律则指明了内能和其他 形式的能量相互转化时,自发进行的方向。
2. 热二律是从大量宏观事实中概括出来的,对有限 范围内的宏观过程适用,对少量粒子的微观体系 不适用。
3. 热力学第二定律的实质:一切与热现象有关的实 际宏观过程都是不可逆的。
微观态为6,几率最大为6/16。
若系统分子数为N,则总微观态数为2N,N个分
子自动退回A室的几率为1/2N。 1mol气体的分子自由膨胀后,所有分子退回到A
室的几率为 1 / 26.0231023 意味着此事件观察不到。
分子处于均匀分布的宏观态,相应的微观态出现 的几率最大,实际观测到的可能性或几率最大。对于 1023个分子组成的宏观系统来说,均匀分布和趋于均 匀分布的微观态数与微观状态总数相比,此比值几乎 或实际上为100%。

熵
熵是用来描述系统中大量分子运动不规则程度的物理量,与卡定理密切相关。卡诺定理指出,工作在相同高低温热源之间的所有可逆热机效率相等,且不可逆热机的效率不可能高于可逆热机。这为提高热机效率指明了方向,即使实际的不可逆机尽量接近可逆机。熵的概念在此背景下产生,它表示系统中分子运动的无序程度。对于任一可逆循环过程,温比热量之和为零,这是克劳修斯等式的内容。进一步地,熵增原理揭示了自然过程中熵的增加趋势,对于不可逆循环和非循环的不可逆过程,熵均呈现增加态势。尽管文档深入探讨了熵的物理学原理,但并未直接将其应用于管理学领域。然而,熵的理论在管理学中同样具有启示意义,如通过减少组织内部的无序状态、提高信息流通效率等方式,来优化管理过程和提高组织效能。

第七讲 克劳修斯熵 熵变计算

第七讲 克劳修斯熵 熵变计算

P
Ti2 △Qi2
可逆循环
V
dQ 0 (克劳修斯等式)
RT
对任意可逆循环都有上式成立
2、克劳修斯熵公式
p
由克劳修斯等式 dQ 0
RT
2 dQ 2 dQ

T R1 1
T R2 1
R1
2
1
R2
V
沿可逆过程的热温比的积分与可逆过程无关,
而只决定于系统始末状态。
必存在一个与之对应的状态量(记为S)——熵
dQ dQ
热传导后系统的熵变:
dQ dQ dS 0
T2 T1
dW1 T0
dW2
借助低温热源T0,运转卡诺机
dW1

dQ(1
T0 T1
)
退化的能量:
dW2

dQ(1
T0 T2
)
Ed dW1 dW2 T0dS
能量退化的程度与熵增成正比!
熵的增加是能量品质的退降的量度
能量
讨论
3、克劳修斯熵和玻尔兹曼熵的区别与联系。
沿可逆过程
Clausius 熵公式:
S2 S1
2 dQ 1T
Boltzmann熵公式: S k ln
计算原则: 1、熵是状态量 2 dQ
S2 S1 ΔS R 1 T
注:计算两态熵差的积分必须沿一个可逆过程进行。 对不可逆过程:可设计一个连接初、终态的任一 可逆过程,来计算两平衡态之间的熵变。
2 dQ
dQ
S2 S1 R 1 T
任意 T
对孤立系统:
dQ 0
ΔS S2-S1 0
——孤立系统中熵永不减少

热3-热力学第二定律 卡诺定理


流行歌曲: 流行歌曲: “今天的你我怎能重复 昨天的故事!”
生命过程是一个不可逆过程
二、热力学第二定律
1. 热力学第二定律的表述 (1)开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量, (1)开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使 开尔文表述 之完全变成有用的功,而不产生其它影响。 之完全变成有用的功,而不产生其它影响。 热力学第二定律:单热源热机(第二类永动机) 热力学第二定律:单热源热机(第二类永动机) 不存在: 不存在:
低温热源T 低温热源 2
Q'2-Q2
低温热源T 低温热源 2
′ →ηC ≤ηC
综合上述结果: 综合上述结果:
′ ηC =ηC
特别地, 对于以理想气体为工质的可逆热机, 特别地 , 对于以理想气体为工质的可逆热机 ,
ηC =1−T2 / T , 由此可得任意可逆热机的效率 1
均为
T2 ηC =1− T 1
第三章
热力学第二定律
前 言
热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互 转化过程中必须遵循的规律, 转化过程中必须遵循的规律,但并未限定过程进行 方向。观察与实验表明, 的方向。观察与实验表明,自然界中一切与热现象 有关的宏观过程都是不可逆 不可逆的 或者说是有方向性 有关的宏观过程都是不可逆的,或者说是有方向性 例如, 的。例如,热量可以从高温物体自动地传给低温物 自动地从低温物体传到高温物体 但是却不能自动地从低温物体传到高温物体。 体,但是却不能自动地从低温物体传到高温物体。 对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律 的新的自然规律,即热力学第二定律。 的新的自然规律,即热力学第二定律。
热传导 高温物体
自发传热 非自发传热
低温物体
热力学第二定律的实质 热力学第二定律的实质 自然界一切与热现象有关的实际宏观过 程都是不可逆的 . 完全 功 热 热功转换 不完全 有序 自发 无序 热传导 高温物体 非均匀、 非均匀、非平衡 自发传热 低温物体 非自发传热 均匀、 均匀、平衡 自发

热二定律


<2> 对应的微观状态数最多的宏观状态就 是系统在一定宏观条件下的平衡态。 。 非平衡态向平衡态转化的过程,从微观 上讲,就是从包含微观状态数目少的宏观状态 向包含微观状态数目多的宏观状态进行。 不可逆性: 相反的过程不可能实现。 因此, 因此,实际观测到的总是均匀分布这 种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。 种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。
30 21 −9
万亿年中( , )的状态只闪现 只闪现10 即30万亿年中(100,0)的状态只闪现 -9s 。 万亿年中
§4.5 Boltzmann Entropy and Principle of Entropy Increase 玻耳兹曼熵与熵增加原理
一. 热力学概率 任一宏观状态所对应的微观状态数, 任一宏观状态所对应的微观状态数,称为 该宏观状态的热力学概率 热力学概率。 该宏观状态的热力学概率。 热力学概率是分子无序性的一种量度 是分子无序性的一种量度: 热力学概率是分子无序性的一种量度: Ω 最无序的状态。 的最大值对应最无序的状态 的最大值对应最无序的状态。
2.热力学第二定律的微观统计意义。 热力学第二定律的微观统计意义。 热力学第二定律的微观统计意义
1.功热转换 1.功热转换 2.热传导 2.热传导 T1
机械能(电能) 机械能(电能) (有序运动) 有序运动) T2 T T
热能 (无序运动) 无序运动)
动能分布 较有序
动能分布 更无序
3.气体绝热自由膨胀 3.气体绝热自由膨胀
×
Q吸
低温热源T 低温热源 2
(3)、热力学第二定律的适用范围 )、热力学第二定律的适用范围 1.宏观过程 宏观过程 对微观过程不适用。 对微观过程不适用。
2.孤立系统有限范围 孤立系统有限范围 对整个宇宙不适用。 对整个宇宙不适用。 “ “ “热寂现象” 世界末日论” 上帝创世说” 热寂现象” 世界末日论” 上帝创世说”

任意可逆循环的热温比的和为零

S So Si 0.01( J / K )
For an irreversible cycle To j Qij Qoj Qoj or 0 1 1 Tij Toj Qij Tij Summing over all such cycles , and passing to the limit we obtain :
dQ T 0
B
A
o
V
B
or
( R1 )

B
d QI d QR so T A T ( R2 ) A
( R1 )

d QI SB S A A T
证明不可逆过程的熵总是增加的

B
d QI SB S A A T
For an isolated system , the entropy of the system increases after any irreversible process .
The change in entropy of the hot piece of metal is :
Q 40 Si 0.1( J / K ) Ti 400
The change in entropy of the other metal piece is : Q 40 So 0.11( J / K ) To 350 The overall change in entropy is :
B
证明可逆循环 热温比的积分 与路径无关
In a reversible process , the line integral

B
dQ A T
is independent of the path , therefore , it has physical significance . The line integral is called the change in entropy between any two states A and B connected by a reversible process .

热力学第二定律


三. 玻尔兹曼熵
为了理论上的需要,玻尔兹曼定义了描述系统 为了理论上的需要,玻尔兹曼定义了描述系统 宏观态无序性的态函数—玻尔兹曼熵 宏观态无序性的态函数 玻尔兹曼熵
S = k ln Ω
玻尔兹曼熵公式
是对分子无序性的量度。 玻尔兹曼熵 S 是对分子无序性的量度。
孤立系的熵变 熵增原理
孤立系经历不可逆过程 孤立系经历不可逆过程从状态 1 变化到状态 2 经历不可逆过程从状态
∆S = ∫
2
1
2 RdV 2 pdV V2 dQ =∫ = R ln =∫ 1 1 V V1 T T
绝热自由膨胀过程是不可逆过程 可假设一可逆过程 ∆S irrev
V2 = R ln V1
混合物的熵。 例3.14 混合物的熵。质量为 0.4kg、温度为 30ºC的 、 的 水与质量为 0.5kg、温度为 90ºC 的水放入一绝热容 、 器中混合起来达到平衡,求混合物系统的熵变。 器中混合起来达到平衡,求混合物系统的熵变。 解:设混合后的温度为 T,c 为水的比热 , 由能量守恒得
四、卡诺定理
(1)在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工作 物质的可逆机,都具有相同的效率; 物质的可逆机,都具有相同的效率; 可逆机 (2)工作在相同的高温热源和低温热源之间一切不可逆 工作在相同的高温热源和低温热源之间一切不可逆 机的效率都不可能大于可逆机的效率。 机的效率都不可能大于可逆机的效率。
Q1 Q2 = T1 T2
热温比
重新规定 Q 正负号
Q T
等温过程中吸收或放出的热 量与热源温度之比。 量与热源温度之比。
可逆卡诺循环中,热温比总和为零。 ★ 结论 : 可逆卡诺循环中,热温比总和为零。
任意可逆循环可视为由许多小卡诺循环所组成
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∆S = ∆S o + ∆S i = 0.01( J / K )
Qi Qo + =0 Ti To
An arbitrary reversible cycle can be approximated by a series of Carnot cycles . For each of the small Carnot cycle , we know that :
∆Qi ∆Qo + =0 Ti To
Entropy
P 330 - 334 1. Energy and entropy In studying the efficiency of a Carnot engine we learned that if an ideal engine absorbs an amount of heat Qi at temperature Ti and then discards heat Qo at To , the quantities are related by
For an irreversible cycle To j Qij Qoj − Qoj or + <0 1− < 1− Tij Toj Qij Tij Summing over all such cycles , and passing to the limit we obtain :
dQ ∫ T <0
Example 1 An ideal gas is allowed to expand freely and adiabatically from a volume V1 to a volume V2 . What is the change in entropy for this irreversible process ? ( A free expansion is one in which no work is done . ) P 335 We compute the change in entropy by considering a reversible process connecting the two states : a quasi - static isothermal expansion from V1 to V2 at constant temperature .
∆S = ∫
V2
V1
dQ V2 pdV V2 nR V2 =∫ =∫ dV = nR ln V1 V1 V V1 T T
Example 2 A copper wire connected between two large pieces of metal conducts 40J of heat from one piece at 400K to the other at 350K . What is the change in entropy for this process ? P 337
j j
By letting the heat become arbitrarily small , the sum approaches an integral
dQ ∫ T =0
For an reversible cycle , the line integral taken around a complete cycle is zero . In the other words , for an reversible cycle the line integral between two states depends only on those states not on the path connecting them . 可逆循环热温比的积分与路径无关
The change in entropy of the hot piece of metal is :
Q − 40 ∆S i = = = −0.1( J / K ) Ti 400
The change in entropy of the other metal piece is : Q 40 ∆S o = = = 0.11( J / K ) To 350 The overall change in entropy is :
P
This equation means that in any irreversible process the entropy of an isolated system always increase .
irreversible R1 B
A reversible R2
o
V
不可逆过程的熵总是增加的
Summing over all the isothermal paths along which heat ∆Qj is either absorbed or rejected at temperature Tj , we obtain : 任意可逆循 环的热温比 ∆Q j ∑ T =0 的和为零
SB − S A > 0
The second law of the thermodynamics can be cast into another form : The entropy of the universe always increases towards a maximum .
heat death theory (热寂说) 热寂说)
To understand why the line integral is independent of the path , consider the system moving reversibly along path R1 from A to B , then back to A along a different reversible path . We have
B
A
A reversible R2
o
B
V
B
or

( R1 )
d QI d QR < ∫ so T A T ( R2 ) A

( R1 )
d QI < SB − S A A T
证明不可逆过程的熵总是增加的
B

d QI < SB − S A A T
For an isolated system , the entropy of the system increases after any irreversible process .
Consider a irreversible process shown in the diagram .
B

( R1 )
d QI d QR + ∫ <0 T A T ( R2 ) B
B
A
P
irreversible R1 B
or∫Biblioteka ( R1 )d QI d QR <− ∫ T A T ( R2 ) B
B
dQ ∆S = S B − S A = ∫ A T
由于任意可逆循环的热温比的积分与路径无关, 由于任意可逆循环的热温比的积分与路径无关, 将这个积分叫做熵变。熵是状态参量, 将这个积分叫做熵变。熵是状态参量,熵与能 量同样重要。 量同样重要。
B
What is the change in entropy for an irreversible process ? An irreversible process can not be represented by a continuous path on a PV diagram because it does not move through a series of equilibrium states . However , we can join the P irreversible R 1 ends of an irreversible B process on a PV diagram by a reversible process , then approximate the entire cycle A reversible R2 by a series of small cycle . V o 不可逆过程的熵变? 不可逆过程的熵变?
dQ dQ ∫ ) A T + ( R∫ ) B T = 0 ( R1 2
B A
P
R1
A
B
R2
Because each path is reversible
dQ dQ ∫ ) A T = −( R∫ ) B T ( R2 2
B A
o
V
dQ dQ = ∫ so that ∫ T T ( R1 ) A ( R2 ) A
英 国 诗 人 史 文 明 这 样 描 述 热 寂 不论是星星还是太阳将来再升起, 不论是星星还是太阳将来再升起, 到处是一片黑暗, 到处是一片黑暗, 没有溪流的潺潺声, 没有溪流的潺潺声, 没有声音,没有景色, 没有声音,没有景色, 既没有冬天的落叶, 既没有冬天的落叶, 也没有春天的嫩芽, 也没有春天的嫩芽, 没有白天,也没有劳动的欢乐, 没有白天,也没有劳动的欢乐, 在永恒的黑夜里, 在永恒的黑夜里, 只有没有尽头的梦镜。 只有没有尽头的梦镜。 现代宇宙论的观测与研究表明,宇宙正在 现代宇宙论的观测与研究表明, 膨胀,它不是趋于平衡, 膨胀,它不是趋于平衡,而是越来越不趋 于平衡。热力学第二定律在此不成立。 于平衡。热力学第二定律在此不成立。
B
B
证明可逆循环 热温比的积分 与路径无关
dQ In a reversible process , the line integral ∫ A T is independent of the path , therefore , it has physical significance . The line integral is called the change in entropy between any two states A and B connected by a reversible process .
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