中国民航大学大学物理学第12章热力学第二定律VIP

1、.热力学第一定律要求：在一切热力学过程中，能量一热力学第一定律要求：在一切热力学过程中，能量一定守恒。但是，满足能量守恒定守恒。但是，满足能量守恒( (不违反热力学第一定不违反热力学第一定律律) )的过程是否一定都能的过程是否一定都能自发地自发地进行进行？自然界中宏观的自发过程具有确定的方向性自然界中宏观的自发过程具有确定的方向性, ,满足能量满足能量守恒的过程不一定都能自发地进行。守恒的过程不一定都能自发地进行。问题的提出问题的提出热力学第二定律：揭示自然界过程进行的方向，能量热力学第二定律：揭示自然界过程进行的方向，能量转换的方向和限制。转换的方向和限制。.12-1 12-1 自然过程的方

2、向性自然过程的方向性12-2 12-2 热力学第二定律热力学第二定律12-3 12-3 卡诺定理卡诺定理12-4 12-4 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义12-5 12-5 熵熵 熵增加原理熵增加原理.1 1 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 设在某一过程设在某一过程 L 中，系统从状态中，系统从状态 A 变化到状变化到状态态B 。如果能使系统从状态。如果能使系统从状态 B 逆向回复到初状态逆向回复到初状态 A ，而同时外界也恢复原状，过程，而同时外界也恢复原状，过程 L 就称为就称为可逆过可逆过程。程。 如果系统不能回复到原状态如果系统不能回复到原状态 A ，或者虽

3、然能回，或者虽然能回复到初态复到初态 A ，但外界不能恢复原状，那么过程，但外界不能恢复原状，那么过程 L 称称为为不可逆过程。不可逆过程。.2.1 2.1 功热转换的方功热转换的方向性向性功功热热：重物下落，功全部转变：重物下落，功全部转变成热，并且不引起其它任何变成热，并且不引起其它任何变化。过程能化。过程能自发自发进行。进行。热热功：功：水温降低，产生水流，推水温降低，产生水流，推动叶片转动，提升重物，而不引起动叶片转动，提升重物，而不引起其它任何变化。过程不能其它任何变化。过程不能自发自发进行。进行。功热转换具有确定的方向性，过程是不可逆的。功热转换具有确定的方向性，过程是不可逆的。水

4、水2. 2. 自然过程的方向性自然过程的方向性. 有限温差的两个物体相接触，热量有限温差的两个物体相接触，热量总是自发由高温物体传向低温物体。相总是自发由高温物体传向低温物体。相反过程不会自发进行。反过程不会自发进行。高温热库高温热库T T1 1低温热库低温热库T T2 2AQ1Q2工质工质2.2.热传导的方向性热传导的方向性 当然，用致冷机可把热量当然，用致冷机可把热量由低温物体传向高温物体。但由低温物体传向高温物体。但外界必须对工质做功，这引起外界必须对工质做功，这引起了其它效果。了其它效果。 有限温差热传导有限温差热传导具有确定的方向性，过程是不可逆的具有确定的方向性，过程是不可逆的.3

5、.3.气体的绝热自由膨胀的方向气体的绝热自由膨胀的方向性性气体向真空中绝热自由膨胀的过程具有确定方向，不气体向真空中绝热自由膨胀的过程具有确定方向，不可逆可逆平衡态平衡态非平衡态非平衡态平衡态：平衡态：可以自发进行可以自发进行平衡态平衡态非非平衡态：平衡态：不能自发进行气体不能自发压缩不能自发进行气体不能自发压缩.墨水扩散是一个不可逆过程墨水扩散是一个不可逆过程.泼水难收泼水难收破镜难圆破镜难圆.楼倒塌是一个不可逆过程楼倒塌是一个不可逆过程.生命过程是一个不可逆过程生命过程是一个不可逆过程.总结：总结：实际宏观过程都涉及热功转换、热传导实际宏观过程都涉及热功转换、热传导和非平衡态向平衡态的转化

6、。所以，和非平衡态向平衡态的转化。所以，一切与热一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。现象有关的宏观过程都是不可逆的。热力学第二定律的实质的实质在于指出：与热热力学第二定律的实质的实质在于指出：与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程！现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程！. 1851 1851年由开尔文勋爵年由开尔文勋爵( (William Thomson) )总结，揭示了自然界普遍存在的功转化为热总结，揭示了自然界普遍存在的功转化为热的不可逆性。的不可逆性。 1850 1850年由克劳修斯总结，揭示了年由克劳修斯总结，揭示了自然界普遍存在的热传递的不可逆性。自然界普遍存在的热传递的不可逆

7、性。克劳修斯表述克劳修斯表述开尔文表述开尔文表述开尔文表述与克劳修斯表述是热力学第二开尔文表述与克劳修斯表述是热力学第二定律最早的表述形式，因而它是热二律的定律最早的表述形式，因而它是热二律的经典表述形式。经典表述形式。1.1.热力学第二定律的两种典型表述热力学第二定律的两种典型表述.1.1.热力学第二定律的两种典型表述热力学第二定律的两种典型表述1.1 1.1 开尔文表达开尔文表达(1851) (1851) 不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其功而不产生其它它影响。影响。这一叙述的含义是：这一叙述的含义是：热热自发自发的全部转化为功是的

8、全部转化为功是不可能的。不可能的。.热机效率：热机效率： 1, 热力学第一定律与热力学第二定律的比较热力学第一定律与热力学第二定律的比较拓展：拓展：2,2,热二律开尔文表述热二律开尔文表述指出了热功转换的方向性指出了热功转换的方向性功功自发自发热热100 % 100 % 转换转换热热非自发非自发功功不能不能 100% 100% 转换转换3,3,热力学第二定律与能源危机热力学第二定律与能源危机热力学第一定律：热力学第一定律：能量转换并守恒，何来能源危机？能量转换并守恒，何来能源危机？热力学第二定律：热力学第二定律：能量做功的能力下降，能量品质下降。能量做功的能力下降，能量品质下降。100%违反热

9、力学第二定律违反热力学第二定律违反热力学第一定律违反热力学第一定律=100%第一类永动机第一类永动机第二类永动机第二类永动机 从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限制从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限制.1.2 1.2 克劳修斯表达克劳修斯表达(1850)(1850) 热量不可能从低温物体传给高温物体而不引起热量不可能从低温物体传给高温物体而不引起其它变化。其它变化。 这一叙述的含义是：这一叙述的含义是：热热自发自发的由低温物体传到的由低温物体传到高温物体是不可能的。高温物体是不可能的。. 要使热量从低温物体传给高温物体，必须有外界要使热量从低温物体传给高温物体，必须有

10、外界做功。即致冷机的致冷系数不可能无限大。做功。即致冷机的致冷系数不可能无限大。 AQ2Q1T1T2. 热二律热二律Clausius 表述指出了热传导方向性：表述指出了热传导方向性：高温高温自动自动低温低温低温低温非自动非自动高温高温 （外界做功）（外界做功） 热二律热二律Clausius 表述并不意味着热量不能从低温表述并不意味着热量不能从低温 物体传到高温物体，而是说不能自动的从低温物体物体传到高温物体，而是说不能自动的从低温物体 传到高温物体传到高温物体例：电冰箱例：电冰箱.凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程的确切叙述，都可以作为热力学

11、第二定律的一种程的确切叙述，都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等价。表述，而且彼此等价。Kelvin 表述和表述和 Clausius 表述是等价。表述是等价。2.2.热二律表述的多样性热二律表述的多样性 等价性等价性.两种表述的等价性两种表述的等价性2.1 如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立Q2Q1+Q2EA=Q1EQ1高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2Q2Q2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2.2.2 如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立Q2A=Q1-Q2Q2Q1E

12、高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2A=Q1-Q2EQ1-Q2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2. 例例 试证明：对于任何工作物质，（试证明：对于任何工作物质，（1 1）一条等温线不可）一条等温线不可能与一条绝热线相交两点；（能与一条绝热线相交两点；（2 2）两条绝热线不可能相交。）两条绝热线不可能相交。证证：（：（1 1）用反证法：假设）用反证法：假设一条等一条等温线与一条等温线相交两点温线与一条等温线相交两点 a 和和 b，这就构成了一个循环过程：这就构成了一个循环过程：abaAIVOpAdiabat Isothermab此此循环过程与热力学第二定律的循环过程与热力学第二定律的K

13、elvin表述矛盾。表述矛盾。（2 2）用反证法：假设两条绝热）用反证法：假设两条绝热线线 A1 和和 A2 相相交于交于 a 点，作一条等温线点，作一条等温线 I，构成一个循环过程：，构成一个循环过程：此此循环过程与热力学第二定律的循环过程与热力学第二定律的Kelvin表述矛盾。表述矛盾。acba21AIAIcbVOpA1 aA2 .1.1.卡诺定理卡诺定理1 1）在相同的高温热源与相同的）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，低温热源之间工作的一切可逆机，其效率相等。其效率相等。2 2）在相同的高温热源与相同的）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切不可逆低温热源之

14、间工作的一切不可逆机的效率小于可逆机的效率。机的效率小于可逆机的效率。221111QTQT = : 对应可逆机对应可逆机 : 对应不可逆机对应不可逆机 AQ2Q1ET1T2.热力学第二定律是宏观上的实验定律。任何热力学过程热力学第二定律是宏观上的实验定律。任何热力学过程在宏观上伴随着状态参量的变化，但从微观上中看，这种变在宏观上伴随着状态参量的变化，但从微观上中看，这种变化必定反映了大量分子运动状态的变化。化必定反映了大量分子运动状态的变化。波尔兹曼指出波尔兹曼指出从微观上来看，对于一个系统状态的宏观从微观上来看，对于一个系统状态的宏观表述是非常不完善的，系统的同一个表述是非常不完善的，系统的

15、同一个宏观态宏观态可能对应于非常多可能对应于非常多的的微观状态微观状态，而这些微观状态是粗略的宏观描述所不能加以区，而这些微观状态是粗略的宏观描述所不能加以区别的。别的。 引入引入热力学概率热力学概率，可对宏观系统的微观态或无序程，可对宏观系统的微观态或无序程度进行定量描述。度进行定量描述。.1.1.微观状态，宏观状态微观状态，宏观状态 微观状态：微观状态：如果把每个分子编号（如如果把每个分子编号（如1 1、2 2、3 3、或或a a、b b、c c、d d），把容器分成），把容器分成N N个部分，则这些分子的每种可个部分，则这些分子的每种可能的分布花样称为一种能的分布花样称为一种微观状态微观

16、状态定义：宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的定义：宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的热热力学概率。力学概率。 宏观状态宏观状态如果不考虑分子之间的差别，只考虑每个部如果不考虑分子之间的差别，只考虑每个部分有多少个分子，这样的状态称为宏观状态。显然，每个宏分有多少个分子，这样的状态称为宏观状态。显然，每个宏观状态可以包含多个微观状态。观状态可以包含多个微观状态。2. 热力学概率热力学概率注：热力学概率注：热力学概率 W 并不满足归一化，其数值往并不满足归一化，其数值往往很大。往很大。.等概率原理：等概率原理：系统的每种微观态出现的概率相同。系统的每种微观态出现的概率相同。由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。3. 3. 等概率原理等概率原理结论结论：一个不受外界影响的一个不受外界影响的“孤立系统孤立系统”，其内部发生，其内部发生的过程总是由热力学概率小的状态向概率大的状态进行，的过程总是由热力学概率小的状态向概率大的状态进行，由相对有序向相对无序状态进行。由相对有序向相对无序状态进行。这即是这即是热力学第二定热力学第二定律的统计意义律的统