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1、长治学院学士学位毕业论文本科毕业论文题目： 不可逆过程的建设性作用 学院： 电子信息与物理科学学院 班级： 10级物理专升本班 姓名： 郭文琴 指导教师： 张栓柱 职称： 教师 完成日期： 2012 年 5 月 17 日不可逆过程的建设性作用专业：物理学 姓名：郭文琴 学号：10205606 指导老师：张栓柱摘 要 可逆过程只是一种理论上的理想过程，而自然界中一切实际过程都是不可逆的，这一结论有其十分重要的科学意义。事件先后顺序的不可逆性，也才真正突出了物质世界不但是存在着，而且还在演化着、进化着的特征，这正是热力学第二定律的重要贡献。本文在介绍了不可逆过程概念的基础上，用严密的数学推导定义了
2、熵，阐释了热力学中线性和非线性不可逆过程，列举了熵在自然生活中的应用。关键词 不可逆过程，熵增加原理，线性非线性目录引言 1. 不可逆过程概念 1.1概念 1.2几点说明 1.3实例2. 熵的介绍 2.1 状态函数熵 2.2 熵产生原理 3.不可逆过程的简介 3.1 线性不可逆过程 3.2 非线性不可逆过程 3.3耗散结构 4 熵在信息学中的应用 4.1信息熵 4.2气象熵 4.3物理场熵 结束语 参考文献 引言 可逆过程与不可逆过程是热力学中极为重要的概念。可逆过程是一个理想的极限，是没有耗散损失的准平衡过程，而实际生活中发生的过程不是无耗散因素的准静态过程，一切非准静态过程都是不可逆过程。
3、本文先叙述了热力学中准静态过程和可逆过程的概念，从而引导叙述了不可逆过程，之后用数学语言定义推导出了热力学中重要的理论熵的原理，接着阐释了热力学中线性和非线性不可逆过程，最后说明了熵在实际生活中的应用和对未来科学的指导意义。1.1不可逆过程的概念在介绍不可逆过程之前，先叙述一下热力学中的过程和准静态过程的概念。我们知道处于平衡状态下的热力学系统，在受到外界作用时系统的状态就要发生变化。热力学把系统从一个平衡状态出发，经过一系列中间状态而变化到另一个平衡状态，它所经历的全部状态的综合称为热力过程，简称过程。实际的热力过程往往很是复杂的，所经历的一系列中间状态都是非平衡状态。由于只有平衡状态才有确
4、定的状态参数，所以为了便于分析研究，必须引进这样一种理想的热力过程，即过程中系统所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态，这种过程称为“准平衡过程”或“准静态过程”。而实际过程都是在有限的速度下进行的，由于气体分子热运动的平均速度可达每秒数百米以上，气体压强变化的传播速度也达每秒数百米，所以一般情况下气体的平衡状态被破坏以后，建立新的平衡状态所需的时间（称为弛豫时间）非常短，因而气体状态的变化过程很接近于准平衡过程，可以近似按准平衡过程进行分析。我们所研究的可逆过程是没有耗散损失的准平衡过程。热力学中定义，当系统完成某一过程后，如果令过程逆向进行而能使过程中所涉及的一切（系统及外界）都回复到初始
5、状态，不留下任何变化，则此过程称为可逆过程，反之即为不可逆过程。从比较广泛的意义上说，可逆过程是消除了一切不可逆因素的、具有可逆性的过程，所以可逆过程需要满足的条件是：第一是准平衡过程，在过程进行中，系统内部、系统与外界之间以及过程所涉及到的外界各物体之间，热与力的不平衡应为无限小，如果存在相变和化学反应还应满足相平衡和化学平衡的条件；过程中不存在耗散效应。所谓耗散效应指由于摩擦、非弹性变形、电流流经电阻等使功不可逆的转变为热的现象。在不可逆过程中，各种不可逆因素将造成做功能力的损失，系统所作的功必然小于相应的可逆过程所作的功。可逆过程是热力学中极为重要的一个概念。可逆过程具有的可逆特性说明这
6、类过程进行的结果不产生任何能量损失，因此可逆过程是一个理想的极限，可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准。而且，由于可逆过程便于分析和计算，所以由假设的可逆过程所得到的结果，在经验基础上加以修正即可用于实际过程。这里需要指出的是，并不是任何实际过程都可以简化为可逆过程的，那些与可逆过程的条件相差甚远或者完全不可逆的过程，就不能作为可逆过程处理。例如，爆炸、气流节流、气体向真空的自由膨胀等。例如，河水能从高处流向低处，这就是不可逆过程，因为水不可能自发地再从低处回到高处。这里“自发地”三个字很重要，因为我们完全可以用抽水机把水从低处抽到高处，即需要外界对水做功，于是外界发生了变化，产生了影响，
7、这种影响是不可能消除的。这样的例子可以举出很多很多：煤炭燃烧可以放出热量，而反过来则不可能把放出的热量完全收回再变为煤炭；生命的孕育、生长、衰老、死亡，都不可能逆向进行再如，滑动摩擦力做功是典型的耗散过程，它会消耗机械能而生热，生成的热不可能全部再转化为机械功。其他能量转化为热的过程也是耗散过程，如电流通过电阻生热等。扩散过程也是典型的耗散过程，两种气体放到一个容器内，总会均匀地混合起来，但不会再自发地分离。气体自由膨胀过程中各处的压强不均匀，是力学不平衡；从高温到低温的热传导过程中各处温度不均匀，是热学不平衡；断开电源而发生自感现象的过程中，各处的电场、磁场不均匀，是电学不平衡；燃料燃烧过程
8、中化学势不均匀，是化学不平衡，等等，这些都是非准静态过程，一切非准静态过程都是不可逆过程。1.2.几点说明： 将热二律表述为“一切实际宏观过程都是有方向性的。”是不恰当。因为，并非任何实际宏观过程都有确定的方向性。对孤立系，其实际宏观过程一定是自发的，所以过程一定沿正方向进行；而对非孤立系，如果是有外界影响的非自发过程，则过程可能沿负方向进行(例如电功可使冰箱将热量由低温传向高温)。也就是说，一般实际宏观过程没有确定的方向性。但过程仍是不可逆的，因为在负方向过程时，必伴随其他正方向的不可逆过程。所以，“一切实际宏观过程都是不可逆的”这一表述既概括又科学地反映了热力学第二定律的内容。（注：新教材
9、采用“方向性”说法，我们只能作正面理解，即只对孤立系而言） 可逆过程是理想过程。显然，要达到可逆过程的要求，必须在负方向过程进行中，系统及外界的状态在过程中的每一步都应是原来沿正方向进行时的重演。所以，可逆过程必须是无耗散因素的准静态过程。这里，耗散因素指：对固体的干湿摩擦、流体内的内摩擦弹性形变、电阻、磁滞等。而自然界的实际过程中不能满足热力学平衡(力学平衡、热平衡及化学平衡等)和无耗散因素，所以可逆过程只是一种理论上的理想过程，但却具有重要的理论意义和对实际的指导意义。 自然界的实际过程都是不可逆的。这一结论，仅从热二律得出还是不够严格的。因为，热力学第二定律仅指出大量粒子的实际宏观过程不
10、可逆。那么，少量粒子的实际微观过程是否可逆呢?在有些教科书上确实有“可逆”的结论，但量子力学指出，如果把微观粒子的存在方式仅仅限制在稳定粒子的范围内，少量分子系统演化可能是“可逆”的；但是如果考虑到微观粒子运动过程中的衰变，则少量粒子的实际微观过程严格讲仍是不可逆的。 “自然界中一切实际过程都是不可逆的。”这一结论有其十分重要的科学意义，它是“时间单向性”的自然科学基础。事实上，无论是在经典力学和电磁学、量子力学以及相对论的动力学方程中，都没有反映出时间的单向特性，他们对于时间来说都是可逆的、对称的。只有热力学第二定律才第一次引入了“不可逆过程”概念，从而才科学地赋予了时间的单向特性事件先后顺
11、序的不可逆性，也才真正突出了物质世界不但是存在着，而且还在演化着、进化着的特征。这正是热力学第二定律的重要贡献。此外，大量实践告诉我们，“时间单向性”无论对自然界宏观过程还是微观过程都是适用的。因此，设想微观世界存在可逆过程，会直接导致与“时间单向性”的矛盾。1.3.实例 气体向真空自由膨胀是不可逆的如图8所示设容器被中间隔板分成两部分，一边盛有理想气体，一边为真空。如果将隔板抽掉，则气体就自由膨胀（不受阻力）而充满整个容器，在这过程中气体没有对外作功。另外，因为过程进行得很快，所以可以看成是绝热过程。这样，系统和外界没有热量交换，也没有做功，即外界没有发生任何变化。这一过程的逆过程(即均匀地
12、充满整个容器的气体自动地全部挤到左半容器中，而右半为真空的过程)始终看不到。这说明自由膨胀是不可逆过程。 我们可利用开氏表述证明自由膨胀是不可逆的。同样利用反证法；假如自由膨胀是可逆的，则在容器中均匀分布的气体就能自动地全部挤到左半容器中而使右半为真空，这时就可在容器左、右半的分界面上再插入一隔板作为活塞，使气体作等压膨胀，从外界吸热Q同时活塞对外作功W (W=Q)，最后气体又均匀充满整个容器。然后气体又自动地全部挤到左边容器中如此往复不断地进行而构成一部第二类水动机，这样就违背了开氏表述，所以自由膨胀是不可逆的。同样，也可类似地利用克氏表述证明自由膨胀是不可逆的。2. 熵的介绍2.1状态参数
13、熵 由式子注意到，对于任意可逆循环，闭合积分等于零，因此被积函数必定是某态函数的全微分。以上说法也是热力学第二定律的一个推论。我们用S表示这个态函数,令 (3-6)这个态函数及叫做熵。在任意可逆过程中，从状态1到状态2的变化量为 (3-7)熵是尺度量，具有可加性。在法定计量单位中熵的单位为KJK。1kg物质的熵s称为比熵，单位为kJ(kgK)。比熵为强度量，不具有可加性。需要注意的是式（3-6）及（3-7）只适用于可逆过程，只有在可逆过程中熵的变化量才等于,切不可把dS与二者无条件地等同起来。式(36)也可改写为 (3-8) (3-9)图39这即是在可逆过程中用态函数熵表示热量的计算式。由式(
14、38)可见，在可逆过程中，系统吸热时(Q0)其熵增加(dS0)；系统放热时(Q0)其熵减少(dS0)；系统与外界绝热(Q0)时其熵不变(dS=0).可逆过程中可利用态函数熵的增减来判断过程中系统与外界热交换的方向。对于简单可压缩热力系，可利用状态参数T与比熵s作为独立变量，并以它们构成平面坐标系(图39)。坐标系中的每一点代表热力系的一个状态，每一曲线代表一个可逆过程。可逆过程中，系统与外界交换的比热量可用过程线下方的曲边梯形面积表示。例如：1 2过程：ds0，故q0，为吸热过程，吸入热量；1 2过程：ds0，故q0，为绝热过程，过程线下方的面积为零；1 2过程：dso，故q0为放热过程，放出热量。利用熵及温
