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1、热力学 统计物理 Thermodynamics StatisticalPhysics 河北师范大学物理学院XJLiuLab OfOrganicSolidstatetheory CollegeofPhysics HebeiNormalUniversity 热力学 统计物理No 05 课程回顾 第一章热力学的基本规律 1 1热力学系统的平衡状态及其描述 1 2热平衡定律和温度 1 3物态方程 1 4功 1 5热力学第一定律 1 6热容量和焓 1 7理想气体的内能 1 8理想气体的绝热过程 1 9理想气体的卡诺循环 1 10热力学第二定律 1 11卡诺定律 新课内容 1 12热力学温标 1 13克劳
2、修斯等式和不等式 1 14熵和热力学基本方程 1 15理想气体的熵 1 16热力学第二定律的数学表述 1 17熵增加原理的简单应用 1 18自由能和吉布斯函数 1 10热力学第二定律 克劳修斯表述 开尔文表述 定律的两种表述 实质 指出一切与热现象有关的实际过程都有其自发的进行方向 是不可逆的 一个过程是否可逆实际上是由初态和终态的相互关系决定 1 11卡诺定理 所有工作于两个一定温度之间的热机 以可逆机的效率为最高 所有工作于两个一定温度之间的可逆热机效率相等 课程回顾 1 12热力学温标 不依赖任何测温物质 水的三相点的温度为273 16K 可逆卡诺热机的效率 1 13克劳修斯等式和不等式
3、 可逆 不可逆 从热源吸收的热量 课程回顾 1 10热力学第二定律 开尔文表述 1 13克劳修斯等式和不等式 1 11卡诺定律 1 12热力学温标 1 14熵和热力学基本方程 1 16热力学第二定律的数学表述 课程回顾 可逆过程 不可逆过程 1 14熵和热力学基本方程 可逆 R R 可逆 初态A和终态B给定后 与可逆过程的路径无关 RR 为两任意可逆过程 初态A和终态B给定 与可逆过程的路径无关 克劳修斯根据这个性质引进了一个态函数 entropy 一 2 熵是系统态函数 态确定 熵定 宏观角度理解熵 1 上式给出的是熵差 积分路径为任意可逆的过程 3 熵是广延量 具有可加性 4 熵变的微分形
4、式 核心地位 5 吸热与熵变关系 可逆过程吸热直接与系统熵变联系 显示熵在能量转化中作用 entropy 熵 二 热力学基本方程 推导来自可逆过程 但与过程无关 1 14 5 1 14 6 外界对系统做的功 一般形式 说明 综合热一 二定律 给出了相邻两平衡态状态变量USV增量关系 1 15理想气体的熵 1mol理气 消去P 若温度范围变化不大 nmol理气 1 15 1 根据熵的广延性 若温度范围变化不大 nmol理气 1 15 1 消去V 理想气体的熵的两种表达式 求得一个系统熵函数表达式后 只要将初终态的状态变量代入相减 便可求得过程前后熵变 不论是否可逆 例 一理想气体 经准静态等温过
5、程 体积由VA变为VB 求过程前后气体熵变 解 初态 T VA 的熵 终态 T VB 的熵 熵变 讨论 气体从热源吸热 气体放热给热源 1 16热力学第二定律的数学表述 克劳修斯表述 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化 开尔文表述 不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它的变化 数学表述 1 数学表述 A B 微过程 等号对应可逆过程 为热源温度 2 熵增加原理 绝热过程 系统经绝热过程由初态变到终态 它的熵永不减少 1 数学表述 熵在可逆绝热过程中不变 在不可逆绝热过程后增加 给出热二律对过程限制 系统可能变化 3 初终态为非平衡态 熵增原理仍然正确 系统熵为各部
6、分熵之和 把系统分为许多小部分 每部分可视为局域平衡态 广延性 绝热过程 1 孤立系统的熵永不减少 孤立系统所发生的不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行的 4 熵增加原理的应用 3 克劳修斯的宇宙 热寂论 玻耳兹曼的批判 涨落 的观点 恩格斯的批判 各种运动形态相互转化的可能性是永不消灭的 引力主导的膨胀宇宙 绝热过程 孤立系统 2 统计意义 孤立系统发生的不可逆过程总是朝着混乱度增加方向进行 1 孤立系统的熵永不减少 孤立系统所发生的不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行的 4 熵增加原理的应用 1 18自由能和吉布斯函数 讨论特殊物理条件下热力学过程进行的方向 熵增加原理 绝热过程 等温过程 等
7、温等压过程 判断绝热过程进行方向 定义 自由能 态函数 1 等温过程 等温过程中 系统对外所做的功 W不大于其自由能的减少 系统在过程中与恒温热源T接触 由初态A到终态B 自由能的减少是等温过程系统所能获得的最大功 假如只有体积变化功 那么 等温等容过程中 系统的自由能永不增加 等温过程中 系统对外所做的功 W不大于其自由能的减少 等温等容条件下 系统中发生的不可逆过程总是朝着自由能减少的方向进行 1 F是态函数 等温过程引入F 不依赖等温过程 2 F是广延量 具有可加性 温度均匀 3 等温过程系统对外做功满足 4 在没有其它形式功的情况下 等温等容过程有 提供判断不可逆等温等容过程方向准则
8、向着自由能减小方向 自由能函数性质小结 2 等温等压条件下 定义状态函数 吉布斯函数 若W1 0 等温等压过程后 吉布斯函数永不增加 等温等压下不可逆过程总朝着吉布斯函数减小方向进行 T p 1 G是态函数 2 G是广延量 具有可加性 温度 压强均匀 3 等温等压过程 提供判断不可逆等温等压过程方向准则 即向着吉布斯函数减小方向 吉布斯函数性质小结 熵增加原理 绝热过程 系统经绝热过程由初态变到终态熵永不减少 等温等容过程 系统经等温等容过程自由能永不增加 等温等压过程 系统经等温等压过程吉布斯函数永不增加 1 17熵增加原理的简单应用 阅读 一 可逆过程熵的计算 1 可逆绝热过程 等熵过程
9、2 可逆等温过程 相变过程 相变过程是等温等压过程 3 可逆等容过程 4 可逆等压过程 二 不可逆过程熵的计算 因为熵是态函数 与过程无关 可找一个A B态的可逆过程 此可逆过程 不可逆过程熵变 Homework 作业1 14 1 21 1 22 课程资料ftp 202 206 97 41辅导时间 周四16 00 18 00地点 2号楼C411 Thermodynamics StatisticalPhysics 谢谢大家 2011年9月14日 1 14熵和热力学基本方程 可逆 课程回顾 核心地位 求得一个系统熵函数表达式后 只要将初终态的状态变量代入相减 便可求得过程前后熵变 不论是否可逆 1
10、 15理想气体的熵 课程回顾 1 16热力学第二定律的数学表述 课程回顾 绝热过程 系统经绝热过程由初态变到终态 它的熵永不减少 绝热过程 系统经绝热过程由初态变到终态熵永不减少 等温等容过程 系统经等温等容过程自由能永不增加 等温等压过程 系统经等温等压过程吉布斯函数永不增加 1 18自由能和吉布斯函数 课程回顾 热零律 温度 热一律 内能 热二律 熵 三个基本热力学函数 H U PV 焓 自由能 吉布斯 辅助热力学函数 能量转化中的作用 判断不可逆过程方向 研究平衡性质 来理解这些函数 小结 克劳修斯等式和不等式 可逆 不可逆 熵 绝热过程 孤立系统所发生的不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行的 熵增加原理 等温等容过程 等温等容下 系统中发生的不可逆过程总是朝着自由能减少的方向进行 等温等压过程 等温等压下 系统中发生的不可逆过程总朝着吉布斯函数减小方向进行
