热力学第零定律给出温度的宏观定义-昆明理工大学工程力学实验中心.PPT

后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。生物体的寿命取决于系统“熵限” 的大小和生命熵的增长率，而某种生物系统“熵限” 的大小则由这个系统进化而来的有序程度决定。一旦系统对外界做了功或传了热，这部分能量就不再是系统的能量（即不再是系统内能的一部分），而是变成外界物体的能量（构成外界物体内能或动能的一部分）。

必须指出，生物体摄取有序能量，排出无序能量是以更大范围的熵增为代价。熵的排除又是分层次的。 负熵 正熵 生物体 周围小环境 正熵 更大的环境 正熵 地球上的熵主要以热辐射的形式排给太空 地球 太阳是地球负熵的供应者 负熵 正熵 *第三章 多粒子体系的热运动在第一章和第二章讨论了宏观物体遵从的基本规律, 现我们讨论大量粒子组成的宏观体系所遵从的基本规律。我们已经知道微观粒子都在做永不停息的无规则运动。由于这种运动的剧烈程度是由温度的高低表现出来, 我们称之为热运动。研究热运动规律的理论分为两类: 热力学和统计物理学。热力学是热现象的宏观理论, 是将大量粒子组成的体系视为整体, 从实验事实出发, 采用归纳概括的方法得出结论。统计物理学是研究热现象的微观理论,它认为宏观现象是大量微观粒子运动的集体表现, 大量微观粒子的运动遵循统计规律, 以此解释热力学定律的微观实质。二者互相补充.20世纪30年代伴随着量子力学的诞生, 人们认识了微观粒子的波粒二象性, 创立量子统计物理学并发展了非平衡态理论, 这已是现代物理学中的一个重要领域。§3-1 热力学的基本概念 温度 内能 热量一. 温度什么是温度?日常经验认为温度就是冷热程度, 若要定量就用温度计测一下读出示数。

由基尔霍夫定律可知，在平衡热辐射下，黑体的单色发射本领就等于平衡热辐射场的单色辐射通量，因此，黑体的温度达到平衡温度时不再升高。二、热力学第二定律----热量可以自发的从温度高的物体向温度低的物体传递，但不可能自发的从温度低的物体向温度高的物体传递热量。 位移为 位移速度 加速度 物体所受体力为 面力为 若过程变化的时间 极小热力学第零定律的意义，则在平衡状态变化过程中， 和面力 不变 可以认为体力 单位时间内外力对物体所做的功为 (4-4) a1是体力的功 a2是面力的功 (4-5a) (4-5b) 由边界面力公式 弹性体包含区域 速度分量 单位体积的体力 单位体积的面力 弹性体表面 奥高公式: 曲面积分与三重积分的关系 曲面s所围的区域为v， s的外法线方向余弦为 则有： s v n x y z 按gauss公式，前式变为 重新整理上式 (4-6) 迭加(4-5a)和(4-6)得到外力的功为 (4-7) 若物体的密度为 ，物体单位体积的宏观动能为 ，则利用运动(平 衡)方程，(4-7)可写为 (4-9) 另一方面，物体的宏观动能为 在 时间内物体宏观动能的改变为 (4-10) 对比(4-9)和(4-10)，可得 (4-11) * 应力、应变之关系，这是变形体力学研究问题基础之一 在前面第二、三章分别讨论了变形体的平衡规律和几何规律（包括协调条件） 。

3.热力学温标单位开尔文记为K。热力学温度用 T表示。热力学温标不依赖于测温物质。水的三相点的热力学温度是273.16K, 热力学温度的单位是1/273.6, 与摄氏温度间的关系是T=273.15+t 绝对零度为 0K，即 -273.15 。荷兰物理学家昂纳斯,实现了氦气的液化, 从而获得1.04K的低温。正是有了这项技术，昂纳斯发现了水银的超导电性。二.物体的内能组成物质的分子总是在不停地运动。分子具有动能。热量是热量是热力学系统与外界或系统各部分间存在温度差发生传热时，被传递给物体(系统)的能量传递给物体的能量，它以分子热运动的形式存储在物体中。单位焦耳（J），旧时曾用卡（cal）。分子间有相互作用力, 分子具有由它们的相对位置决定的势能。组成物质分子的动能和势能，原子核和原子核内能量的总和叫做物体的内能。三. 热量热力学中的研究对象(气、液、固)称为热力学系统, 简称系统。把与系统作用的环境称为外界。摩擦生热作功加热水热传递 物体的内能增加在改变物体内能上二者是等效的。对热本质的认识经历了热动说和热质说之争。 实验表明:热质说 热质—— 热质 由没有重量的微细粒子组成的流质。

热是组成物质的微粒运动的表现 热质热动说 解释传热学、量热学不能解释摩擦生热、撞击生热等。 测得使1磅水增加1°F的热量要耗用772磅重物下降1英尺的功，相当4.15J/cal。现代值 4.18J/cal 热质 机械运动 热 热质 机械运动1.热力学第一定律§3-2 热力学第一定律 Q=W + 是热力学第一定律的数学表达式。热学第一定律是能量守恒定律在涉及热现象的宏观过程中的具体表现。系统从外界吸收热量Q，一部分转化为为系统对外界所做的功W; 另一部分使系统内能增加 ΔU ，据能量守恒定律：不需要消耗外界的能量可以不断地对外作功的机器称为第一类永动机——违背热力学第一定律——热力学第一定律也表述为: 第一类永动机是不可能实现的。 蒸汽机 冷凝器 变断续运动为连续运动 活塞阀 变往返运动为旋转运动 飞轮、离心机 17世纪末发明巴本锅，18世纪末瓦特改进了蒸汽机。例题2-1 一发明家来咨询, 说他制作了一台发动机，机器从燃料中吸收1×108J的热量, 排出2.5 ×107J的热量, 对外作功9 ×107J。你是否建议投资此业?解 机器消耗的热量ΔQ= 1×108- 2.5 ×107=7.5 ×107J最理想的情况 , 机器所消耗的热量全部转换为对外所作的功W= ΔQ= 7.5 ×107J 发明家宣称的有用功是W ′= 9 ×107J > W, 因而不可能实现。

二.热机 致冷机 热泵1.热机工作物质从某一状态出发，经过一系列中间变化后又回到原来的状态，称为循环过程。将热量不断地转变为机械功的装置称为热机。生产实践要求回答诸如此类的问题: 烧一吨煤产生的热量中, 有多少通过蒸汽机变成推动火车前进的动力, 引出热机的效率: η=W/Q 精良的制作提高着效率，但必须从理论上回答：提高热机效率的途径是什么？热机的效率是否有极限？法国青年工程师卡诺提出卡诺热机模型和卡诺定理回答这一问题。卡诺热机模型——工作在温度为T1 的高温热源和温度为T2 的低温热源间的理想热机。卡诺热机效率最高为卡诺定理指出，热机效率与工作物质无关，提高热机效率的途径有两条:在尽量提高高温热源温度的同时, 尽量降低低温热源温度;尽量减少摩擦力等耗散力所做的功。工作在高低温热源间热机的效率, 不可能大于工作在相同高低温热源间卡诺热机的效率——回答了热机效率极限的问题。20世纪，蒸汽机效率达15%左右, 汽油内燃机达40%, 燃烧高热燃料直接驱动的燃气涡轮机燃气温度达1400 oC , 效率接近50%。2.致冷机热机所作的循环沿相反方向进行变成致冷机。在一次循环中工作物质从低温热源吸热, 向高温热源放热, 使高温热源的温度更高, 低温热源的温度更低。

冰箱通过消耗电能(外界的能量), 不断从冷冻室(低温热源) 吸收热量, 向高温热源(周围环境)放热, 从而使冷冻室温度降低, 周围环境温度升高。 W+Q2 WW=Q1-Q2 W图3-4 卡诺循环能流图W=Q1-Q2 Q1= W+Q2 W 夏季——空调机用致冷功能 室内 低温热源室外 高温热源 Q2+W 室内 高温热源室外 低温热源 Q2+W 冬季——空调机用“热泵”功能 设室外的温度为0 oC , 室内温度为 27 oC , 理想状态消耗1焦的功, 室内可得到11焦的能量。3.热泵是一种更经济更高效的调温装置。从工作原理讲是致冷机, 它把热量从低温热源抽到高温热源。我们讨论了热力学第一定律，学会用能量守恒和转换观点去观察世界。人们终日忙碌制作着各种各样的机器和装置，它们大多数只是能量转换器而已。如： 人体自然界进行着能量传递和转换时，似乎还隐藏着一个秘密。有一只看不见的手支配着、选择着，它允许一些过程发生，而不允许一些看起来虽不违背热力学第一定律的过程发生。这就是热力学第二定律所要揭示的。 风能 机械能 化学能 生物能§3 热力学第二定律一. 与热现象有关过程的不可逆性与热现象有关的自然界的过程是有方向性的, 人类社会中的许多过程也是有方向性的。

如： 低温物体 高温物体 热量自动 膨胀的气体 压缩的气体 体积自动 自动热力学过程通常分为两类:可逆过程和不可逆过程.作为理想情况, 一个进行得无限缓慢的, 无耗散力作功的过程视为可逆过程。系统沿某一过程从状态1到状态2, 且存在一个逆过程,使系统沿原过程的反方向进行, 重复原过程的每一个中间态而不引起外界的变化, 这过程是可逆过程。反之不存在这样一个逆过程的称为不可逆过程。上面列举的那些与热现象有关的过程都是不可逆过程。二. 热力学第二定律那是否存在着一个具有普遍意义的定律, 用来判明过程进行的方向呢? 1850年克劳修斯发表了《论热的动力与由此可以得出的热学理论的普遍规律》一文，首先给出了热力学第二定律:热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体。人们称之为热力学第二定律的克劳修斯表述。其含义是实现这一过程必须消耗功。1851年开尔文提出热力学第二定律的另一种表述: 不可能从单一热源吸收热量完全变成有用的功而不产生其它影响。或第二类永动机不可能实现。热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述虽不相同, 可以证明它们是等效的。它们的等效性说明自然界的不可逆过程是相关的。因而任何一个反映热力学过程不可逆性的实验事实, 都可以作为热力学第二定律的一种表述形式。

现代人寿命超过152岁的人极少数，要实现长生不死在理论上是可行的，但人类还没有找到不死的方法，等待着科学的发展去揭示……四、每一周期中又可分为十二个过程在每一周期中，根据六十四卦生成原理可分为十二个过程，每一个过程都具有具体的数据，共十二个数据。表明孤立系统的增熵是一个退化过程。为了计算绝热不可逆的过程的熵变，可以在始末态之间设计一条绝热可逆途径来计算吗。

此外，大数据获取的统计学上的宏观结论，对于一些微观的问题并没有意义，比如抛硬币，抛的次数越多，得到正反两面的次数越接近，概率越接近0.5，但不管已经抛了多少次，还是不能分析出下一次得到正面还是反面。那么我们也可以把大局观看成宏观，牌序看成微观。小结：基本思维方法（详细文字表述格式）是：依据描述气体状态的宏观物理量（m、p、v、t）与表示气体分子运动状态的微观物理量（n、n、v）间的相关关系，从气体实验定律成立的条件所述的宏观物理量（如m一定和t不变）推出相关不变的微观物理量（如n一定和v不变），再根据宏观自变量（如v）的变化推出有关的微观量（如n）的变化，再依据推出的有关微观量（如v和n）的变与不变的情况推出宏观因变量（如p）的变化情况，结论是否与实验定律的结论相吻合．若吻合则实验定律得到了微观解释．。

熵是玻尔兹曼在热力学第二定律引入的概念，指的是分子运动的混乱度。小结：基本思维方法（详细文字表述格式）是：依据描述气体状态的宏观物理量（m、p、v、t）与表示气体分子运动状态的微观物理量（n、n、v）间的相关关系，从气体实验定律成立的条件所述的宏观物理量（如m一定和t不变）推出相关不变的微观物理量（如n一定和v不变）热力学第零定律的意义，再根据宏观自变量（如v）的变化推出有关的微观量（如n）的变化，再依据推出的有关微观量（如v和n）的变与不变的情况推出宏观因变量（如p）的变化情况，结论是否与实验定律的结论相吻合．若吻合则实验定律得到了微观解释．。通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。