理学第二定律学时材料PPT学习教案

1、会计学1理学第二定律学时材料理学第二定律学时材料化学化学反化学化学反应的热效应应的热效应简单状态变化过程简单状态变化过程相变过程相变过程 化学变化过程化学变化过程U H Q W赫斯定律应用赫斯定律应用标准生成焓标准生成焓标准燃烧焓标准燃烧焓自键焓估算自键焓估算基尔霍夫定律基尔霍夫定律应用应用第1页/共57页rmrm 498 KHU（ 498K） 、（ （ ）例2：C2H4（g） + H2 （g） = C2H6（g）求 298298时反应的时反应的问：需要查阅什么热力学数据？需要什么公式？计问：需要查阅什么热力学数据？需要什么公式？计算方法？如何判断升高温度是否对反应有利？算方法？如何判断升高温

2、度是否对反应有利？rmrm 98KHU（298K）、（2（ ）第2页/共57页低压高压低温高温 )g(O21)g(HlOH222 前前 言言第3页/共57页 前前 言言研究变化方向与限度的意义？第4页/共57页 随着物理化学学科的发展，经过热力学方法的计算知道，只有当压力超过大气压力15000倍，石墨可能变成金刚石。或，通过热力学计算，借助偶合反应，低压下也可实现人工合成金刚石。C6H6 + CH4 (g) C6H6-CH4 + H2(g)常温常压常温常压苯和甲苯混合后，常温、常压下可以生成很少的甲苯，到达一定限度后，只有约千分之一的苯转化为甲苯，转化率极低。反应的反应的限度问限度问题！题！第

3、5页/共57页3.1 热力学第二定律3.2 Carnot循环和Carnot定理3.3 熵的概念3.4 熵的物理意义和规定熵3.5 Helmholtz自由能和Gibbs自由能 3.6 热力学函数间的关系 第6页/共57页1. 自发过程的共同特征2. 热力学第二定律第7页/共57页生活中有那些熟悉的自发和非自发过程?第8页/共57页 （4）热传导：高温 低温。 限度 T1=T2 不同的自发变化有着各自的变化方向与限度,依此可判别不同过程的变化方向和限度。共同共同特征？特征？第9页/共57页 自发变化的共同特征 系统在进行自发变化时将失去一些作功能力，进行过程中可以作功，也可以不作功；而非自发变化进

4、行时须由其他自发变化提供功，同时获得一定的作功能。 自发过程是不可逆过程.当体系复原时.环境不可能同时复原, 留下“功转变为热”的影响。 因此，可从“热功转换的不等价性”概括不可逆过程的共性。从“热功转换的效率”关注“变化的限度”问题。第10页/共57页 变化的方向性和过程的可逆性变化的方向性和过程的可逆性第11页/共57页110 pp 2IR,110ppppppe终态pe= 0,IRpe=p-dp,R始态2pp 变化的方向性和过程的可逆性变化的方向性和过程的可逆性第12页/共57页(aq)CuSOZn(s)4pT,Cu(s)(aq)ZnSO4又如自发反应不作非体积功，为不可逆过程当电动势比外

5、加电压大一无穷小量时，为可逆过程 变化的方向性和过程的可逆性变化的方向性和过程的可逆性问题：问题：如何去寻找能够决定一切自发变化方向和限度的如何去寻找能够决定一切自发变化方向和限度的共同因素，作为它们共同的判据？共同因素，作为它们共同的判据？第13页/共57页克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。” 后来被奥斯特瓦德(Ostward)表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。第14页/共57页

6、热力学第二定律热力学第二定律（The Second Law of Thermodynamics）WT2（高温热源）T1（低温热源）第15页/共57页 为了引出熵函数和熵判据，须用到热力学第二定律的重要推论卡诺定理。第16页/共57页1. Carnot 循环2. 热机效率3. Carnot 定理及其推论4. 致冷机的效率第17页/共57页 Carnot（1796-1832） 法国工程师法国工程师 他生于巴黎,当时蒸汽机发展迅速，他想从理论上研究热机的工作原理，以期得到普遍性的规律。 他用理想模型构思了理想的热机即Carnot可逆热机，从理论上解决了提高热机效率的途径. 指出了热机必须有两个热源，

7、热机效率与工作介质无关，指明了热机的效率有一极限值，可逆Carnot热机所产生的效率最高。 1832年，因感染霍乱在巴黎逝世，年仅36岁 。第18页/共57页Carnot 循环的工作物质一定量的理想气体， n molCarnot 循环的具体过程由4步构成:1.等温可逆膨胀2.绝热可逆膨胀3.等温可逆压缩4.绝热可逆压缩第19页/共57页Carnot 循环的具体过程1.等温可逆膨胀11h2lnVWnRTV 系统所作功如AB曲线下的面积所示10U11h22h(,)(,)A p V TB p V Th1QW 第20页/共57页2. 绝热可逆膨胀 系统所作功如BC曲线下的面积所示22h33C(,)(,

8、)B p V TC p V T22UWch,mdTVTnCT20Q 第21页/共57页3.等温可逆压缩环境对系统所作功如CD曲线下的面积所示33C44C(,)(,)C p V TD p V T30Uc3QW 33c4lnVWnRTV第22页/共57页4. 绝热可逆压缩环境对系统所作功如DA曲线下的面积所示44C11h(,)(,)D p V TA p V T40Q 44UWhc,mdTVTnCT第23页/共57页p11h( ,)A p V T22h(,)B p V T33C(,)C p V T44C(,)D p V TVhTcTabcd第24页/共57页整个循环：0U hQ是系统所吸的热,为正值

9、cQ是系统放出的热,为负值24WW和对消ABCD曲线所围面积为热机所做的功QQQch 13 WWW第25页/共57页1123hcTVTV13 WWW31hc24lnlnVVnRTnRTVV利用理想气体绝热可逆过程方程式,可以证明1423VVVV则1hc2()lnVWnR TTV1141chTVTV如何证明？第26页/共57页Carnot 循环的能量传递情况卡诺循环卡诺循环高温存储器低温存储器热机hTWcThQcQ0U理想气体的热力学能不变热机从高温热源吸的热hQ热机对环境做的功W热机放给低温热源的热cQhcWQQc(Q 0)第27页/共57页hWQ热机效率:或 可逆热机对环境所做的功与从高温热

10、源所吸的热之比1ch21h2()lnlnVnR TTVVnRTVchhTTTch1TT hWQchhQQQch1QQ 热机效率总是小于1要提高热机效率，必须加大两个热源的温差第28页/共57页RChh(473300)K36%473 KTTT 火力发电厂的能量利用2001/1000g 度电煤I0% 2 高煤耗、高污染（S、N氧化物、粉尘和热污染）锅炉汽轮机发电机冷却塔第29页/共57页 火力发电厂的能量利用Chh67330055%673TTT4001/500 g 度电煤I0%”号，可逆过程用“=”号，这时环境与体系温度相同。Qd0QST对于微小变化：不可逆过不可逆过程的热温程的热温熵之和小熵之和

11、小于体系的于体系的熵变熵变第50页/共57页BBARA()QSSST 2.不可逆热机循环不可逆热机循环 任意不可逆循环任意不可逆循环 不可逆过程不可逆过程0hhccTQTQiIRii()0QTA BA Bi()0QST 通过Clausius 不等号不等号以及熵变与热温熵的关系来总结过程和判别过程方向.第51页/共57页ABABi()0QSTdQST“” 号为不可逆过程“=” 号为可逆过程 d S QT违反热力学第二定律,不能实现的过程 Clausius 不等式判据,已突破热功转换的范围,概括了一切不违反热力学第二定律,有可能发生的过程的特征,是方向、限度的共同判根据.第52页/共57页对于绝热体系，所以Clausius 不等式为0Qd0S 等号表示绝热可逆过程，不等号表示绝热不可逆过程。熵增加原理可表述为：在绝热条件下，趋向于平衡的过程使体系的熵增加。或者说在绝热条件下，不可能发生熵减少的过程。 如果是一个孤立体系，环境与体系间既无热的交换，又无功的交换，则熵增加原理可表述为：一个孤立体系的熵永不减少。A BA Bi()0QST第53页/共57页Clsusius 不等式引进的不等号，在热力学上可以作为变化方向与限度的判据。dQST“” 号为不可逆过程“=