热力学第一定律与第二定律复习课件

热力学第一定律与第二定律复习课件欢迎参加热力学第一定律与第二定律的复习课程本课件将系统地梳理热力学的基本概念、定律及其应用，帮助您深入理解这一物理学的重要分支我们将从基础概念出发，逐步探索能量转换的规律以及自然过程的方向性，并展示这些定律如何应用于工程、化学和日常生活中通过本次复习，您将掌握热力学的核心原理，提高解决相关问题的能力，为后续深入学习打下坚实基础让我们一起开始这段探索热力学奥秘的旅程课程目标掌握核心概念培养应用能力12通过本课程，学生将牢固掌握学生将能够熟练应用热力学定热力学第一定律和第二定律的律解析各类热力学过程，包括基本概念、数学表达式及其物等温、等压、等容和绝热过程理意义，能够清晰识别状态函，并能计算相关物理量的变化数与过程函数的区别，理解内，分析热机效率和自发过程的能、熵等热力学量的本质方向性建立系统思维3培养学生建立热力学系统的整体观念，认识热力学定律的普适性和局限性，深入理解能量守恒和熵增原理对自然界过程的制约作用，以及这些原理在工程、化学等领域的应用价值热力学基本概念回顾研究对象基本方法热力学定律热力学主要研究热能与机械能、电能等热力学采用宏观方法研究系统，关注的热力学建立在四个基本定律之上热力其他形式能量之间的转换规律，以及这是系统的宏观性质（如温度、压力、体学第零定律（温度平衡原理）、第一定些转换对物质性质的影响它是一门建积等）而非分子运动细节它通过观察律（能量守恒）、第二定律（熵增原理立在实验基础上的宏观科学，不涉及物系统的初态和终态来研究能量变化，而）和第三定律（绝对零度不可达到）质的微观结构不考虑中间过程的细节这些定律概括了自然界中能量转换和传递的基本规律系统与环境热力学系统环境热力学系统是指我们选择研究的环境是指系统外部的一切物质特定物质或物质集合，可以是一系统与环境之间可能存在能量和杯水、一个气缸内的气体或一台物质的交换，这些交换对系统的发动机系统的边界可以是真实状态有重要影响环境通常被视的物理边界，也可以是我们为研为足够大，以至于系统的变化不究方便而假想的边界会显著改变环境的状态系统类型根据系统与环境的相互作用方式，热力学系统可分为孤立系统（不与环境交换物质和能量）、闭口系统（可与环境交换能量但不交换物质）和开口系统（可与环境交换能量和物质）状态函数与过程函数状态函数1状态函数是仅依赖于系统当前状态而与系统到达该状态的路径无关的物理量状态函数的变化只与初、终状态有关，与具体过程无关典型的状态函数包括内能、焓、熵、吉布斯自由能等U HS G过程函数2过程函数是依赖于系统从初态到终态所经历的具体路径的物理量过程函数的变化与过程密切相关，不同路径会导致不同的值热量和功Q是最重要的两个过程函数W区分方法3判断一个物理量是状态函数还是过程函数，可以考虑

①完整循环后其变化是否为零（状态函数为零）；

②其微分是否为全微分（状态函数是）；

③其值是否仅取决于当前状态而与历史无关（状态函数是）热力学平衡热平衡力学平衡1系统各部分温度相同，无净热量传递系统内部压力均匀分布，无宏观运动2化学平衡相平衡4系统内化学反应的正反应速率相等3系统中各相的质量不随时间变化热力学平衡是系统达到的一种稳定状态，此时系统的宏观性质不再随时间变化完全的热力学平衡需要同时满足上述四种平衡在热力学平衡状态下，系统可以用少数几个宏观参数（如温度、压力、体积等）完全描述热力学平衡是一个理想化的概念，实际系统往往处于接近平衡的状态当系统受到微小扰动时，如果能自发地回到平衡状态，则称该平衡状态为稳定平衡；如果扰动使系统偏离原状态越来越远，则称为不稳定平衡热力学第一定律概述定律本质热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的表现形式它指出，热能可以转化为其他形式的能量，且在转化过程中，能量的总量保持不变历史发展这一定律源于世纪科学家对热现象的研究焦耳的实验证明19了机械能可以转化为热能，而热能的本质就是分子的动能和势能之和，即内能现代表述现代热力学将第一定律表述为系统内能的变化等于系统从外界吸收的热量减去系统对外做功的功量这一表述建立了内能、热量和功之间的定量关系能量守恒定律能量的本质能量的形式转换12能量是物质运动的量度，是一能量有多种形式，如机械能、种既不能被创造也不能被消灭热能、电能、化学能等这些，只能从一种形式转变为另一不同形式的能量可以相互转换种形式的物理量在宇宙中，，但在转换过程中，总能量保能量的总量保持恒定，这是自持不变例如，电热水壶将电然界最基本的守恒定律之一能转换为热能，但转换前后的总能量相同热力学应用3在热力学中，能量守恒定律表现为系统吸收的热量、做功和内能变化三者之间的关系这一关系使我们能够计算热力学过程中的能量变化，预测系统的行为，为工程应用提供理论基础热力学第一定律的数学表达式基本方程微分形式应用形式热力学第一定律的数学对于无限小过程，第一对于理想气体，功的表表达式为定律可表示为达式通常为ΔU=Q-dU=δW=p·dV，其中是系统内注意热量（压强与体积变化的乘WΔUδQ-δW能的变化，是系统从和功是非完全微积）对于其他系统，QδQδW外界吸收的热量，是分（用表示），而内功的表达式会根据具体Wδ系统对外做的功该方能是完全微分（用情况有所不同，如电功dU d程建立了内能变化与热表示），这反映了内能，表面功δW=E·dq量、功之间的定量关系是状态函数而热量和功等δW=γ·dA是过程函数内能的概念微观定义分子动能与势能之和1宏观特性2仅依赖于系统当前状态热力学性质3状态函数，独立于系统历史基本组成4包括热能、化学能、核能等形式内能是热力学中最基本的概念之一，它代表系统中所有微观粒子的动能和势能之和从微观角度看，内能包括分子的平动能、转动能、振动能以及分子间相互作用的势能等；从宏观角度看，内能是系统的一种属性，与系统当前的状态（如温度、压力、体积等）有关作为状态函数，内能的变化只与系统的初态和终态有关，而与系统从初态到终态所经历的具体过程无关这一特性使得我们可以通过测量或计算初态和终态的内能差，来确定系统在热力学过程中的能量变化功的概念微观物理图像数学表达功的多样性从微观角度看，当气体膨胀时，气体分子在热力学中，体积功的微分表达式为除体积功外，热力学系统还可能做其他形δW不断撞击并推动活塞移动，每次碰撞都传，其中是压强，是体积的微小式的功，如电功、表面功、=p·dV pdV E·dqγ·dA递动量和能量这些微观碰撞的累积效应变化对于有限过程，功，这拉伸功等在广义热力学中，任何W=∫p·dV F·dl就构成了宏观上我们观察到的功功的本个积分沿着系统在图上的路径进行可以表示为强度量×位移量形式的能量p-V质是能量从一个系统转移到另一个系统的不同路径的积分值通常不同，这反映了功传递都可视为功无论形式如何，功都是过程是过程函数的特性能量传递的一种方式热量的概念能量传递方式1热是一种能量传递形式，由温度差引起微观本质2分子无规则运动能量的传递热力学特性3过程函数，与传递路径有关热量是由于温度差而导致的能量传递当两个温度不同的物体接触时，能量总是从高温物体传向低温物体，这种能量传递我们称之为热传递从微观角度看，热传递本质上是分子热运动能量的传递，高温物体的分子具有更高的平均动能，通过碰撞将能量传给低温物体的分子作为过程函数，热量的值不仅与系统的初态和终态有关，还与系统从初态到终态所经历的具体路径有关这意味着系统在不同热力学过程中Q吸收或释放的热量可能不同，即使初态和终态相同热量的单位在国际单位制中是焦耳，与功的单位相同，反映了它们都是能量传递的形式J焦耳实验实验设计焦耳设计了一系列精巧的实验来研究机械能与热能的关系最著名的是他的桨轮实验一组桨叶安装在绝热容器中的水里，通过下落的重物带动桨轮旋转，使水温升高通过测量重物下落的高度（机械能）和水温的升高（热能），焦耳能够确定这两种能量之间的定量关系关键发现焦耳的实验证明，当一定量的机械能完全转化为热能时，所产生的热量与消耗的机械能成正比这个比例关系是固定的，不依赖于转换的具体方式或材料这一发现直接支持了热是一种能量形式，而非如早期科学家认为的那样是一种特殊的热质历史意义焦耳的工作与迈耶、亥姆霍兹等人的研究一起，确立了能量守恒定律，并最终导致热力学第一定律的形成焦耳确定的机械能当量（焦耳等于卡路

4.1861里）成为连接不同能量单位的桥梁，为统一的能量概念奠定了基础，彻底改变了物理学对热现象的理解热力学第一定律的应用等容过程过程特点数学表达图像表示等容过程是系统体积保持恒定的过程对于等容过程，由于，热力学第一定在图上，等容过程表示为平行于压强轴W=0p-V在这种过程中，系统不做体积功律简化为这意味着系统吸收的所有的垂直线段沿着这条线，体积保持不变，ΔV=0ΔU=Q，因为没有位移发生常见的等容过热量都用于增加系统的内能，通常表现为温而压强随温度变化等容过程中，系统的所W=0程包括密闭容器中的化学反应、固体或液体度升高对于理想气体，等容过程的热量计有态点都位于这条垂直线上，系统的状态沿的加热等算公式为，其中是定容摩尔着这条线从初态变化到终态Q=nCv·ΔT Cv热容热力学第一定律的应用等压过程等压过程是指系统压强保持恒定的热力学过程在这种过程中，系统可能与环境交换热量和做功典型的等压过程如活塞下方气体的加热、开放容器中的化学反应等对于等压过程，热力学第一定律可表述为，式中为恒定压强，为体积变化为简化计算，引入焓函数，则等压过程的热量对ΔU=Q-pΔV pΔV H=U+pV Q=ΔH理想气体，等压过程的热量，其中是定压摩尔热容Q=nCp·ΔT Cp在图上，等压过程表现为水平线段，系统做的功等于该线段下方的面积等压过程在日常生活和工业应用中很常见，如烹饪过程、大气中的天气变化等都可p-V W=p·ΔV近似为等压过程热力学第一定律的应用等温过程数学关系过程定义对于理想气体，等温过程满足玻意耳定等温过程是系统温度保持恒定的过程律常数热力学第一定律应用pV=在这种过程中，系统与环境之间可能存于等温过程时，由于理想气体的内能仅在热量交换，以抵消由于做功导致的温12是温度的函数，所以，因此ΔU=0Q度变化等温过程通常需要系统与热水这意味着系统从环境吸收的热量=W浴等恒温源保持接触全部用于对外做功应用实例功与热量等温压缩和膨胀在工程中有重要应用，理想气体等温过程的功和热量可以表示43如气体压缩机的等温级、冰箱的节流阀为₂₁W=Q=nRT·lnV/V=、气体液化过程等在生物系统中，许₁₂在图上，等温nRT·lnp/pp-V多过程也近似为等温过程，如人体内的过程是一条双曲线，系统做的功等于该呼吸气体交换曲线下方的面积热力学第一定律的应用绝热过程过程特点1绝热过程是系统与外界没有热量交换的过程这种情况可能是因为系统Q=0被完全隔热，或者过程发生得非常快，以至于没有足够的时间进行热传递在绝热过程中，热力学第一定律简化为，表明系统内能的变化完全由ΔU=-W做功引起理想气体绝热过程2对于理想气体，绝热过程满足方程pVʸ=常数，其中γ=Cp/Cv是比热比绝热膨胀时，气体温度降低（因为内能减少）；绝热压缩时，气体温度升高（因为内能增加）理想气体绝热过程的功计算公式为₁₂W=nRT-T/γ-1实际应用3绝热过程在工程中有广泛应用，如内燃机中的压缩和膨胀冲程、空气压缩机的工作、雷电中的气体快速加热、高空中气体团的上升和下降等温度的变化是识别实际过程是否接近绝热的重要指标理想气体的内能理想气体模型内能与温度的关系理想气体是由大量质点组成的系统根据动理论，理想气体的内能仅是，这些质点之间没有相互作用力只温度的函数，与体积和压强无关有碰撞，且质点本身体积可忽略不单原子理想气体的内能U=计实际气体在低压高温条件下接，双原子理想气体3/2nRT U=近理想气体行为理想气体状态方（或更高，取决于振动5/2nRT程为，其中是普适气体自由度是否被激发），多原子气体pV=nRT R常数则更复杂这种简单关系使得理想气体成为研究热力学过程的理想模型内能变化的计算理想气体内能变化，其中是定容摩尔热容这一关系极大地ΔU=nCv·ΔT Cv简化了热力学计算，使我们能够通过测量温度变化来确定内能变化，而不需要直接测量热量和功对复杂热力学过程的分析通常以理想气体为基础模型理想气体的比热容气体类型定容比热定压比热比热比Cv CpγJ/mol·K J/mol·K单原子气体

12.

520.

81.67双原子气体

20.

829.

11.40多原子气体

24.9+

33.2+

1.33-比热容是表征物质吸热能力的物理量，定义为使单位质量物质温度升高度所1需的热量对于气体，由于加热过程可以在不同条件下进行，因此存在多种比热容，其中最常用的是定压比热容和定容比热容Cp Cv对理想气体，定压比热容总是大于定容比热容，因为定压加热时，气体除了内能增加外，还要做功使体积膨胀二者之差等于气体常数R Cp-Cv=R比热容的大小与气体分子的自由度有关自由度越多，比热容越大这是因为更多的自由度意味着更多储存能量的方式迈耶公式公式表达物理意义历史与应用迈耶公式是热力学中的从物理意义上看，迈耶这一公式由德国医生和重要关系式，表示为公式表明定压加热比定物理学家罗伯特迈耶于·它揭示容加热多消耗的热量正年提出迈耶通Cp-Cv=R1842了理想气体的定压摩尔好等于气体在膨胀过程过对生物体代谢和热现热容与定容摩尔热容之中对外做的功在定压象的研究，推导出了这间的差值恒等于普适气过程中，气体吸收的热一重要关系迈耶公式体常数这一简洁的量部分用于增加内能的发现对热功当量的确R关系式深刻反映了热力，部分用于对定和能量守恒思想的形Cv·ΔT学第一定律的应用，为外做功成有重要贡献，是热力p·ΔV=R·ΔT理解气体热力学性质提，两部分之和正是学发展史上的重要里程供了重要工具碑Cp·ΔT普适气体常数定义与数值与其他物理常数的关系普适气体常数是理想气体状态方普适气体常数与阿伏伽德罗常数R R程中的比例常数，其国际和玻尔兹曼常数有密切关系pV=nRT NAk单位制数值为这表明普适气体常数

8.314J/mol·K R=k·NA这个常数反映了气体分子的平均本质上是单个分子的能量常数k动能与温度之间的关系，是连接宏与摩尔中分子数量的乘积NA R观热力学量与微观分子运动的桥梁还与摩尔体积有关在标准状Vm态下℃，，摩尔理想气01atm1体的体积约为升

22.4在热力学中的应用广泛应用于热力学计算中除理想气体状态方程外，它还出现在许多热力学R关系式中，如迈耶公式、吉布斯自由能方程等Cp-Cv=RΔG=ΔH-TΔS不同的气体常数单位适用于不同情境，如工程中常用的气体常数值为

0.08206L·atm/mol·K热力学第一定律的局限性不预测过程方向不考虑能量质量不解释熵增现象热力学第一定律只说明能量守恒，但不第一定律关注能量的数量，但忽视了能自然界存在明显的不可逆性和趋向无序能预测过程自发进行的方向例如，它量的质量或可用性实际上，并非所有的趋势，如混合、扩散、热传导等过程不能解释为什么热总是从高温物体传向形式的能量都能完全相互转化例如，第一定律无法解释为什么宇宙的无序低温物体，而不是相反冰块不会自发热能不能完全转化为机械能，但机械能度总是增加，也无法解释为什么时间似地变得更冷并向周围环境放热，尽管这可以完全转化为热能这种能量转换的乎有一个明确的方向这些问题需要引样的过程并不违反能量守恒不对称性是第一定律无法解释的入第二定律和熵的概念才能解答热力学第二定律引入能量守恒的不足尽管热力学第一定律确立了能量守恒原理，但它不能解释为什么许多符合能量守恒的过程在自然界中从不自发发生例如，热能不会自发地从低温物体流向高温物体，尽管这样的过程并不违反能量守恒这表明必须存在另一个物理规律来约束自然过程的方向不可逆性的普遍存在自然界的大多数过程都是不可逆的混合的气体不会自动分离，破碎的玻璃不会自动修复，热量不会自发集中这种不可逆性与微观世界的概率统计性质有关，反映了系统趋向于更可能的状态，这通常对应于更无序的状态第二定律的本质热力学第二定律正是描述这种自然趋势的基本规律它规定了热过程的方向性，引入了熵的概念来量化系统的无序度，并确立了熵在孤立系统中永不减少的原理第二定律为我们理解自然过程的自发方向和能量的可用性提供了理论框架自发过程与非自发过程自发过程的特征自发过程是指系统在不需外界做功的情况下自然发生的过程这类过程的共同特点是熵增加，如气体扩散、溶解过程、化学反应等自发并不意味着迅速有些自发过程可能非常缓慢，如金属的腐蚀——非自发过程的特征非自发过程不会自然发生，需要外界做功才能实现这类过程通常伴随着熵的减少，如气体压缩、溶质结晶、生物体的生长等在这些过程中，系统熵的减少必须由环境熵的更大增加来补偿，使总熵仍然增加判断过程方向判断过程是否自发，需要考虑熵变和能量因素的综合影响在恒温恒压条件下，吉布斯自由能变化是判断标准的过程自发进行，ΔGΔG0表示平衡，的过程不自发，反映了能量ΔG=0ΔG0ΔG=ΔH-TΔS和无序度的竞争ΔHΔS热机的概念做功过程2将部分热能转化为机械功W吸热过程1从高温热源吸收热量₁Q放热过程向低温热源释放余热₂Q3热机是将热能转化为机械功的装置，是热力学原理在工程中的重要应用典型的热机包括蒸汽机、内燃机、燃气轮机等所有热机都需要高温热源和低温热源之间的温度差来工作，高温热源提供能量，低温热源接收不能转化为功的废热热机的效率定义为输出功与输入热量₁的比值₁₁₂₁₂₁根据热力学第二定律，任何实际热机的效率都小ηW Qη=W/Q=Q-Q/Q=1-Q/Q于，这意味着不可能将所有热量转化为功最理想的热机卡诺热机的效率为₂₁，其中₁和₂分别是高温热源和低温热源的绝对温1——η=1-T/T T T度这一效率是任何在相同温度之间工作的热机所能达到的最高效率卡诺循环过程描述理论意义现实局限卡诺循环由四个可逆过程组成等温卡诺循环作为完全可逆的理想循环，具有尽管卡诺循环效率最高，但实际热机很难1-2膨胀温度₁，气体从热源吸收热量₁重要的理论意义卡诺证明，在两个给定实现卡诺循环，因为它要求所有过程都是TQ；绝热膨胀，温度从₁降至₂；温度之间工作的所有热机中，卡诺热机效可逆的，没有摩擦、热传导等不可逆损失2-3T T等温压缩温度₂，气体向冷源放出率最高，且其效率仅取决于两个温度此外，等温过程需要无限慢地进行，这3-4Tη热量₂；绝热压缩，温度从₂升₂₁这一结论表明，提高热在实际中不可行因此，现实热机通常采Q4-1T=1-T/T回₁循环完成后，系统回到初始状态机效率的关键是增大温度差，这对热力学用更实用的循环，如奥托循环汽油机、T，净效果是将部分热量转化为功工程设计具有重要指导意义柴油循环、朗肯循环蒸汽机等卡诺定理定理内容理论证明卡诺定理包含两个重要结论

①在卡诺定理的证明基于热力学第二定相同高低温热源之间工作的所有热律，采用反证法假设存在一个效机中，可逆热机的效率最高；

②在率高于可逆热机的热机，则可以构相同高低温热源之间工作的所有可造一个复合系统，在不违反能量守逆热机，不论工作物质如何，其效恒的前提下，使热量从低温物体自率都相同，且等于₂₁，其发传向高温物体，这违背了克劳修1-T/T中₁和₂分别是高温热源和低温斯表述，因此原假设不成立TT热源的绝对温度定理意义卡诺定理揭示了热机效率的理论上限，并指明了提高效率的途径增大工作——温度差它也为定义绝对温标提供了理论基础温度比可以通过热量比来定义，即₁₂₁₂（对可逆循环）这一定理是热力学第二定律最重要T/T=Q/Q的应用之一热力学第二定律的开尔文表述表述内容1开尔文表述认为不可能从单一热源吸收热量将其完全转化为功，而不产生其他,影响这意味着热能不能转化为机械能，必须有一部分热量传递到低温热源100%换言之，任何热机都必须有冷源来接收无法转化为功的废热物理意义2这一表述揭示了热能与其他形式能量转换的不对称性机械能可以完全转化为热能（如摩擦），但热能不能完全转化为机械能这种不对称性反映了自然过程的方向性，表明能量有质量区别有些形式的能量比其他形式更有价值——工程应用3开尔文表述对工程设计有重要意义它告诉我们，任何热机都必须有冷却系统排放废热；提高效率的关键是增大热源温度差；永动机第二类（能够将热能完全转化为功的装置）是不可能实现的这些认识指导了现代热力工程的发展方向热力学第二定律的克劳修斯表述扩展理解表述内容1无需额外补偿的情况下，热不会自发从冷到热热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体2流动日常例证实际影响4制冷机通过消耗电能使热量从低温区流向高温要实现热量从低温向高温转移，必须输入外部3区功克劳修斯表述是热力学第二定律的另一种经典表达，它从热传递的角度阐明了自然过程的方向性该表述与我们的日常经验一致热咖啡会自然冷却，而冰块在室温下会融化，这些过程反映了热量总是从高温流向低温的自然趋势值得注意的是，克劳修斯表述并不意味着热量绝对不能从低温流向高温，而是指这种过程不能自发发生通过输入外部功（如在制冷机、热泵中），热量确实可以从低温区泵到高温区这种过程需要消耗能量，且遵循一定的效率限制，这些限制正是由热力学第二定律确定的永动机的不可能性永动机是指不需要外部能量输入，能够永久运转并持续输出功的假想装置根据不违反的热力学定律，永动机可分为两类永动机第一类违反热力学第一定律（能量守恒），它凭空创造能量；永动机第二类违反热力学第二定律，它能将热能转化为机械能100%热力学定律告诉我们，两类永动机都是不可能实现的第一类永动机违反能量守恒原理，这是物理学最基本的规律之一第二类永动机虽然不违反能量守恒，但违反了热力学第二定律，它忽视了能量转换过程中的不可逆性和熵增加原理尽管如此，永动机的构想在历史上推动了科学和工程的发展，促使人们更深入地思考能量和热力学原理今天，对永动机的追求已转变为对高效能源转换系统的研究，如接近卡诺效率的热电装置和低耗能系统的开发熵的概念定义与引入熵是热力学中描述系统无序程度的状态函数，由克劳修斯于年引入1865对于可逆过程，熵的变化定义为，其中是系统吸收的热量ΔS=∫δQ/TδQ，是系统的绝对温度这一定义将热力学第二定律定量化，使其应用更为T广泛物理意义从宏观角度看，熵衡量了系统中能量的分散程度或无用性；从微观角度看，熵正比于系统可能微观状态的对数，，反映了系统的混乱或无S=k·lnW序程度熵增加意味着能量更加均匀分布，系统变得更加无序，可用能减少数学性质作为状态函数，熵的变化仅取决于系统的初态和终态，与路径无关对于孤立系统，熵永不减少（），等号仅适用于可逆过程对于非孤立系ΔS≥0统，熵变包括系统内部产生的熵和通过边界传递的熵，总熵变满足ΔStotal=ΔSsys+ΔSsurr≥0熵增原理原理表述微观解释宇宙学意义熵增原理是热力学第二从统计力学角度看，熵熵增原理具有深远的宇定律的核心内容，它指增原理反映了系统向更宙学意义它决定了时出孤立系统中的过程可能状态演化的自然趋间的箭头（过去与未来总是沿着熵增加的方向势由于无序状态通常的区别），预示着宇宙自发进行，系统的熵永比有序状态更可能出现的最终命运可能是热不减少对于可逆过程（微观状态数更多），寂状态所有能量——，熵保持不变；对于不系统自发向无序状态发均匀分布，不再有可用可逆过程（实际过程几展这就像扑克牌随机能转化为功不过，对乎都是不可逆的），熵洗牌几乎不可能形成完于开放系统（如地球、一定增加美顺序，溶液中的分子生物），局部熵可能暂不会自发分离成纯净物时减少，但以环境熵的质更大增加为代价熵与无序度有序与无序对比相变中的熵变生命与熵从直观上看，有序状态是排列整齐、规则相变过程清晰地展示了熵与无序度的关系生命系统似乎违背熵增原理，因为它们能性强的状态，如完美晶体；无序状态则是当冰融化成水，水分子从规则的晶格排维持高度有序结构但实际上，生物体是杂乱无章、缺乏规则性的状态，如气体分列变为较自由的液态运动，系统变得更无开放系统，通过代谢持续从环境获取低熵子的随机分布熵可以定量地衡量这种无序，熵增加同样，当水蒸发成水蒸气，物质和能量，同时向环境排出高熵废物，序度熵越高，系统越无序；熵越低，系分子获得更大自由度，系统更加无序，熵使整体熵增生命的秩序是以增加环境熵统越有序进一步增加为代价的，完全符合热力学第二定律热力学第二定律的数学表达式12微分形式积分形式对于可逆过程，熵变表示为，其中从状态到状态的熵变计算为₂₁dS=δQ_rev/T12ΔS=S-S=是可逆过程中系统吸收的热量，是绝对温，积分沿可逆路径进行δQ_rev T∫δQ_rev/T度ΔS熵增不等式对于孤立系统中的任何实际过程，熵变满足不等式，等号仅适用于可逆过程ΔS≥0热力学第二定律的数学表达式形式多样，但核心都是描述熵的变化规律对于非孤立系统，熵变分为两部分由热传递引起的熵变，以及系统内部不可逆过程产生的熵总熵变为dS_e=δQ/T dS_i dS=dS_e+，其中，反映了第二定律的本质dS_i dS_i≥0在实际应用中，常用克劳修斯不等式∮（循环过程）或₂₁（非循环过程）δQ/T≤0∫δQ/T≤S-S来判断过程的可行性另一种常用表达是吉布斯自由能判据在恒温恒压条件下，ΔG=ΔH-TΔS≤表示过程可自发进行，等号表示平衡状态0。