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第五章 热力学基础 二、宏观描述方法与微观描述方法 2、微观描述过程：统计物理学 5－1 平衡态、理想气体物态方程 3、混合理想气体物态方程 5－2 热力学第一定律及其应用 5－3 循环过程 卡诺定理 5－4 热力学第二定律 5－5 熵、熵增加原理 　　自然界发生的一切过程都必须遵守热力学第一定律。但是满足热力学第一定律的过程不一定都会发生。例如：摩擦可以产生热量。但是依靠物体的冷却而使其自身运动起来对外作功的过程却从来没有发生过；冰融化可以使饮料降温，但是冰块自动越来越大而使饮料越来越热的过程却从未发生过；打开香水瓶的盖子，可以闻到香味；但是已经扩散的香水分子不会自动地回到香水瓶中去。 　　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有方向性的，或者说是不可逆的。 一、可逆过程和不可逆过程 　　系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程（这时系统回到初态，对外界也不产生任何影响），则原过程是可逆的。若总是找不到一个能使系统与外界同时复原的过程，则原过程是不可逆的。 　　可逆过程与不可逆过程的问题也就是时间之矢能否逆转的问题? 　　小球和墙壁完全弹性碰撞，画出x-t的变化图线，把它拍成录象再倒过来放，也就是时间之矢逆转，也画出同样的变化图线。 　　人走路的录像倒放好象是退了走路，可以被相信。人从地面跳到屋面上的特技摄影也可以被信以为真，等等。又如在北京以一定功率发射的电磁波，在上海接收到的强度必然与在上海以相同功率发射，在北京接收到的电磁波的强度相等，只要没有任何损耗与吸收。 　　说明不和热相联系的力学及电磁学问题的时间之矢可以逆转，是可逆的。 　　若小球经历的是非弹性碰撞，其机械能不守恒我们看到，非弹性碰撞图线对于时间坐标是不对称的，因而不可逆。 　　非弹性碰撞，以及损耗、吸收、摩擦、黏性等都是功自发地转化为热的现象，这称为耗散过程。任何过程只要与热相联系，它必然是不可逆的。 　　气体向真空自由膨胀过程是一个不可逆过程。扩散过程不可逆，热传导过程不可逆，摩擦生热过程不可逆，生物的生长过程不可逆，等等。可以说：一切会自动发生的宏观热力学过程都是不可逆的。 　　只有理想化的无耗散的准静态过程才是可逆过程。 一些不可逆过程。 二、热力学第二定律 　　热力学第二定律是关于自然界宏观过程进行的方向和限度的一条重要规律。 1．热力学第二定律的开尔文表述： 　　不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸热对外作功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化。 　　历史上曾经有人企图制造效率可以达到100%一种循环工作的热机，这就是第二类永动机 。第二类永动机不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律，因而也是不可能造成的。 开尔文表述揭示了自然界普遍存在的功转化为热的不可逆性：功能够自发地、无条件地全部转化为热；但热转化为功是有条件的，而且其转化效率有所限制。也就是说功自发转化为热这一过程只能单向进行而不可逆转，因而是不可逆的。 　　热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程除了气体从单一热源吸热完全变为功外，也引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述： 　　热量不可能自动地从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。 　　我们可借助制冷机实现热量从低温热源流向高温热源，但这需要外界对制冷机作功(这部分功最后还是转变为热量向高温热源释放了)。 　　第二定律的克劳修斯表述说明了热量传递的不可逆性。热量只能自动地从高温物体传给低温物体，而不能自动地从低温物体传给高温物体。 3．热力学第二定律两种表述的等价性 　　热力学第二定律的两种描述是等价的，即一种说法是正确的，另一种说法也必然正确；如果一种说法是不成立，则另一种说法也必然不成立。 （1）若开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立 　　右图中A 为违反开氏表述之热机它从T1热Q1 ,全部转化为功W , Q1 = W。B为正常的制冷机。两台机器联合运转。其净效果是：从T2 吸热Q2 把它传递到高温热源T1。这样违反克氏表述。 （2）若克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立 　　右图中A 为违反克氏表述之制冷机.它从T2 吸热 Q2 ，向T1 热源放热Q2。B为正常热机。两台机器联合运转，其净效果是：从T1 热源吸热全部转变为功。违反克氏表述。 　　上述两个反证，己经可以严格地证明了克劳修斯表述及开尔文表述两者的等价性。 　热力学第二定律除了开尔文和克劳修斯表述外，还有其他一些表述。事实上，任何一种关于不可逆过程的表述都可以作为第二定律的一种表述。 　各种不可逆过程千差万别，表面上看起来毫无关联，但实际上