《状态函数-熵》课件

状态函数熵-了解状态函数的概念,探讨熵这一重要状态函数在物理、信息等领域的应用和意义课程大纲热力学第一定律回顾热力学第二定律熵的数学定义不同过程的熵变回顾热力学第一定律的基本概了解热力学第二定律,介绍熵的学习熵的数学定义和计算方法,分析封闭系统、理想气体及相念,为后续内容的学习奠定基础概念及其在自然界中的重要性为后续熵变分析奠定基础变等过程中的熵变特点,加深对熵概念的理解热力学第一定律回顾能量守恒定律1能量既不能被创造也不能被销毁系统与环境2能量可以在系统与环境间转换热量与功3热量和工作都是能量转换形式热力学第一定律说明了能量在不同形式间的转换和守恒系统与环境之间会发生能量交换,这种交换可以表现为热量或功的形式这些能量转换过程遵从能量守恒定律,既不能被创造也不能被销毁热力学第二定律热量自发流动1热量自发从高温体流向低温体熵增大定律2任何自发过程都会导致熵增加不可逆过程3不可逆过程会产生无法利用的热量耗散热力学第二定律描述了热量自发流动的方向和不可逆过程的熵增特性它揭示了热量自发从高温流向低温的规律,以及孤立系统中任何自发过程都会导致熵增加,为宇宙演化提供了基本原理熵的概念物理量概念系统状态变化热力学第二定律熵的度量熵是热力学中一个重要的物理当一个系统从一个状态变化到热力学第二定律规定,自发过熵可以用数学方法进行定量描量,代表一个系统的无序程度另一个状态时,其熵值通常会程中系统的熵值总是增加的,述和计算,作为描述系统无序它可用来描述热量在系统内发生变化这种熵值的变化反这反映了自发过程的不可逆性程度的一个重要指标部的分布状况映了系统状态的变化程度熵的数学定义熵是一个反映系统无序程度的状态函数它数学上的定义为积分形式:S=∫δQ/Trev其中δQ为可逆热量增量,T为绝对温度这个表达式给出了熵增加的一个定量描述,它反映了在可逆过程中热量转移引起的无序度的增加熵的单位是J/K封闭系统熵变状态函数的变化对于封闭系统，热力学第二定律表明，系统的总熵值只能增加或保持不变,不会减少孤立系统的熵变对于一个完全孤立的系统,其熵值随着时间的推移会不断增加,直到达到最大值可逆过程和不可逆过程可逆过程中,系统的熵值不变;不可逆过程中,系统的熵值必然增加自发过程与熵增自发发生的任何变化都会导致系统熵值的增加,符合熵增大定律理想气体熵变理想气体定义1理想气体是一种分子间无相互作用、无体积的气体模型其能够很好地描述稀薄气体的性质理想气体熵变计算2理想气体的熵变公式为ΔS=nRlnV2/V1或ΔS=nRlnT2/T1，其中n为气体的物质数量理想气体熵变性质3理想气体熵增过程中,体积增大或温度升高都会导致熵增加,反之熵减少这一规律适用于可逆过程相变熵变固相1分子规则排列液相2分子无序排列气相3分子完全无序相变是物质从一种状态转变为另一种状态的过程每种相态的分子排列有序程度不同,这就导致了相变时熵值的变化固相相对有序,液相和气相相对无序,因此相变过程中entropy总是增加不可逆过程熵变功散失不可逆过程中会有一部分能量以热量的形式散失到环境中，无法全部转换为有用功这就导致了熵的增加温差影响不可逆过程往往伴随有温差的存在这种温差会使熵产生增加，从而引起系统熵的增加过程损失摩擦、散热、泄漏等因素会导致不可逆过程中的能量损失,进而增加熵的变化汽车发动机实例内燃机是汽车最核心的部件之一在燃料燃烧过程中会产生大量热量,这些热量通过活塞的上下运动来驱动曲轴旋转,从而带动车轮运动然而,内燃机的热效率通常只有30%左右,大部分热量都被浪费掉了提高热效率是内燃机设计的关键目标之一热机热效率30%理想热效率理想汽车发动机的热力学热效率约为30%20%实际热效率实际汽车发动机的热效率通常在20%左右80%剩余损失约80%的能量损失在排气和冷却系统中热机的热效率是指从燃料中获得的有用功与输入的热量之比提高热效率是提高热机性能的关键主要影响因素包括压缩比、工作介质特性、温度梯度等通过优化设计可使热效率进一步提高卡诺循环理想过程1以等温和绝热过程组合而成理想效率2描述热机的最高热效率量子循环3微观量子系统中的类比过程卡诺循环是由瑞士物理学家卡诺提出的理想热机循环它以等温和绝热过程的组合构成,描述了热机的最高热效率这种理想过程在微观量子系统中也有对应的量子循环,反映了热力学和量子理论的深层联系卡诺定理可逆循环卡诺定理描述了理想热机在可逆循环条件下达到的最高热效率理想热机卡诺循环是一种理想的可逆热力循环,能够达到最高的热力效率温度差卡诺定理指出,热机效率取决于热源温度和冷却温度的温差热力学温标克尔文温标摄氏温标12根据热力学第二定律,定义了绝摄氏温标以水的冰点为0度,沸对温标,也称为克尔文温标这点为100度定义,是最常用的温是一种严格的物理温度量度标度单位它与克尔文温标可以准直接换算热力学温度3热力学温度反映了物体的热能状态,是热力学中最基本的概念之一它与热量、功、熵等概念密切相关克劳修斯兰金不等式-热量流动规律热机效率限制克劳修斯-兰金不等式描述了热量这一不等式说明了热机的热效率在不同温度之间流动的规律，表存在理论上限，即卡诺效率,这是明热量总是从高温传到低温，而任何热机都无法超越的最高效率无法自发地从低温传到高温熵变评判该不等式为评判一个过程的可逆性和不可逆性提供了依据,从而为分析热力学系统的状态变化提供了理论基础熵原理与不可逆性熵增大定律不可逆性的微观根源熵增与信息损失孤立系统中发生的一切自发过程都会伴不可逆过程的微观根源在于系统内部无熵增也意味着系统信息的丢失信息的随着熵的增大,这就是熵增大定律这一序度的增加随着时间的推移,系统的不减少导致了可预测性的降低,这就是熵增定律描述了不可逆过程的普遍特性确定性和无序程度越来越高与不可逆性的内在联系自发过程与熵增自发性1自发过程是指系统在没有外界做功的情况下自然发生的过程这些过程通常会导致系统状态朝着更有序或更均匀的方向变化熵增规律2自发过程通常会导致系统的熵增加这是因为自发过程会降低系统的有序程度,增加了系统内部的无序程度不可逆性3自发过程通常是不可逆的,即无法通过简单地反向进行而使系统回到初始状态这体现了熵增规律的不可逆性熵增大定律熵增大定律是热力学第二定律的核心概念之一它阐述了孤立系统中自发过程必然导致熵值的增加这意味着自然界的一切过程都趋向于增加混乱无序度,从而导致结构和有序性的降低熵增大定律反映了熵作为表征无序程度的物理量,在任何自发过程中都会增大这是自然界中普遍存在的规律,对我们认识宇宙的演化和生命过程有着重要的启示孤立系统的熵变孤立系统定义孤立系统是指与外界环境没有任何物质和能量交换的系统，它完全封闭于自身内部熵增大定律对于孤立系统来说，其熵值是一直增大的,直至达到最大值时系统达到平衡状态熵变与不可逆性孤立系统的熵值增大反映了系统内部不可逆过程的演化,熵增大是自发过程的标志孤立系统的平衡态孤立系统的定义平衡态的特点熵增原理孤立系统是指与外界环境不存在任何物质、系统达到平衡态时,其宏观参数如温度、压根据熵增大定律,孤立系统在演化过程中,其能量或信息的交换的系统在这种条件下,力等不再随时间变化,微观粒子的运动也处熵值会不断增大,直到系统达到最大熵值时,系统会趋向于达到内部平衡态于无序但稳定的状态即为平衡态可逆过程与可逆温度可逆过程1可逆过程是指系统和外界之间可以相互作用,但每一步都可以逆向进行的过程这种过程在热力学中非常重要可逆温度2可逆温度是指在可逆过程中,系统和外界之间热量交换的比值它代表了系统的热力学温度,是热力学的重要概念温度差的作用3温度差是驱动可逆过程的动力只有当系统与外界存在温度差时,热量才能进行可逆地传递这是热力学第二定律的体现熵变与热力学温度温度与熵热力学温度是决定系统熵变的重要参数系统在热传递过程中的自发熵变与温度差有关热传递与熵增热量从高温物体向低温物体传递时,系统的总熵会增加这种不可逆过程导致熵的单向增长可逆过程与熵可逆过程中,热量可以在不同温度间来回传递,不会造成总熵的单向增加熵函数的物理意义微观视角宏观视角可逆性与可测性能量利用效率从微观角度来看,熵反映了系从宏观角度来看,熵则表示了熵反映了热过程的不可逆性,熵的增加限制了系统内部能量统内部粒子无序程度的统计测系统的不可逆性熵的增加意同时也是热力学系统状态的一的利用效率,这是热力学第二度熵越大,系统无序程度越味着系统向无序方向演化,无个可测量的参量它是系统内定律的核心内容随熵的增加高,粒子运动越随机法完全恢复到初始状态部混乱度的一个描述量,可用有效能量越来越少熵变与微观统计微观角度理解熵变粒子热运动与熵12从微观角度看,熵变反映了系统粒子的热运动越无序随机,系统中无序程度的变化熵增大蕴的熵就越大反之,系统的无序含着系统从有序转向无序的趋程度越低,熵就越小势熵与统计概率理解热力学第二定律34系统状态出现的统计概率越大,从微观的角度,热力学第二定律其熵就越大熵可以定量地描阐述了自发过程中熵必须增大述系统结构的有序性的趋势这是系统演化的本质特征统计熵与信息熵统计熵信息熵统计熵是量化无序程度的量度它表示一信息熵是对信息内容的度量它表示信息个系统的状态有多少种可能性统计熵越的不确定性或者随机性信息熵越大，信大，系统越无序息越不确定信息熵与信息论信息熵香农信息论信息熵描述了信息的不确定性或香农于1948年提出了信息论理论,随机性程度它定量地表示了信为信息熵的概念以及相关的信息息内容的平均信息量量、通道容量等概念奠定了数学基础信息传输效率信息论研究了通过有噪信道传输信息的最高效率,为信息传输技术的发展提供了理论依据信息熵与信息量信息熵的定义信息量的量化12信息熵是用于衡量信息内容的信息量是用对数函数来描述信量化指标,它反映了信息的不确息的大小,与信息熵有直接关系定性和随机性信息熵与信息论3信息熵的概念是信息论的基础,广泛应用于通信、编码、密码学等领域结语及补充通过对热力学第二定律和熵的概念的深入理解,我们能够更好地认识自然界和技术系统的发展规律在工程应用中,熵变分析可以帮助我们提高系统效率,并探索创新的可持续技术方案让我们继续探索熵概念的广泛应用,为人类社会的可持续发展做出贡献。