热力学第二定律

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热力学第二定律2021/5/914.3热力学第二定律2021/5/92

地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，只要这些海水的温度降低0.10C，就能放出5.8×1023J的热量，这相当于1800万个核电站一年的发电量。?2021/5/93

将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？

铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同．2021/5/94

将烧红的铁块投入水中，结果铁块温度更高，水的温度更低。？2021/5/95

电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？2021/5/96

因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了．相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高．2021/5/97贮藏的食品大气电冰箱制冷系统热量热量电源做功2021/5/98

热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。热传导的方向性2021/5/99

一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。2021/5/910？降温

我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来．2021/5/911？

有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化．2021/5/912

热机是一种把内能转化为机械能的装置气缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1推动活塞做功W排出废气，同时把热量Q2散发到大气中。Q1=W+Q2热机效率η=W/Q12021/5/913热源冷凝器吸热Q1放热Q2热机做功2021/5/914

机械能和内能的转化过程具有方向性。机械能内能机械能内能×2021/5/915

打开阀门，容器A中的气体会自发地向容器B中膨胀。最后两容器都充满气体。打开阀门

容器B中的气体能否自发地流入容器A,使B中成为真空??2021/5/916热源吸热Q1热机做功第二类永动机冷凝器？2021/5/917热力学第二定律1、两种表述：(1)、按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化．（克劳修斯表述)(2)、按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．（开尔文表述）2、两种表述是等价的．可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律3、热力学第二定律的意义①提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律．②对生活实践的指导作用2021/5/9181，按热传递的方向性来表述2，是按机械能与内能转化过程的方向来表述。两种表述的实质2021/5/9195热力学第二定律的微观解释2021/5/9202021/5/921一个“妖精”，神通广大，能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A，B两部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。

假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气体，按照热的动力论，一定的温度对应于分子的一定的平均温度，因为气体分子的运动具有随机性质，有的分子的速度将大于平均值，有的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀门，让快的分子从B进入A，慢的分子从A进入B，结果不须消耗能量，B部分的温度就下降，A部分的温度就上升，热量可以自发地从低温物体流向高温物体。

2021/5/922一般的解释是：妖精必须得到一些“知识”，才能把“快”分子和“慢”分子区分开来。为了获得这些信息，要不要消耗能量？如果需要，则容器、气体、隔板、妖精作为封闭系统，为得到所要信息所需的能量，将不大于因利用这一信息而消耗的能量，并没有违反热力学第二定律。

麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？2021/5/923自发总是从有序到无序演化但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发展，酶，就是生命中的麦克斯韦的妖精；而人类全体作为麦克斯韦的妖精，增加着社会的有序度。毕竟，“妖精”，用通俗的话说，是个生物，也是个信息系统，“妖精”就是对宇宙演化的一种抗争。

2021/5/924热力学第二定律的微观解释2021/5/925

热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。

凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。一、自然过程的方向性热传导过程例如：气体的绝热自由膨胀过程。

这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。前言2021/5/926

热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律来解释。二、热力学第二定律

不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。

功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。

1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。1.内容1.开尔文表述

以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。2021/5/927热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但这时引起了其它的变化。开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性高温热源T1=0第二类永动机（单热机）不能制成。第二类永动机2021/5/928高温热源T1低温热源T2

与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将自动地由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。

如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。2、克劳修斯表述

热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。2021/5/9291.从开尔文表述入手假定单热机是可以造成的，则高温源低温源Q高温热源T1低温热源T2高温热源T1低温热源T23、两种表述是统一的2.从克劳修斯表述入手高温热源T1低温热源T2高温热源T1

假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。热力学过程是有方向性的。2021/5/9302.可逆过程与不可逆过程

为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过程方向性问题，引入可逆过程的概念。

一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外界引起的一切影响）则原来的过程称为可逆过程；单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变化。

反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原来的过程称为不可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。2021/5/931单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。A

在热现象中，可逆过程只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使两物体温差增大。2021/5/932可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温热传导。气体的迅速膨胀过程是不可逆的。

但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它却是可逆的。结论：1）一切自发过程都是不可逆过程。2）准静态过程（无限缓慢）+无摩擦的过程是可逆过程。3）一切实际过程都是不可逆过程。

可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆的。2021/5/933可逆过程是理想化的过程。强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。

热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。

开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。2021/5/934有序和无序宏观态和微观态2021/5/935分布（宏观态）详细分布（微观态）14641不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）2021/5/936一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。

热力学第二定律的微观意义熵熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。2021/5/937对整个宇宙不适用。如布朗运动。平衡态相应于一定宏观条件下最大的状态。热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。4.热力学第二定律的适用范围注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。1）适用于宏观过程对微观过程不适用，2）孤立系统有限范围。2021/5/938能量耗散2021/5/939自然界中的宏观过程具有方向性，能量耗散从能量转化的角度反映出这种方向性。2021/5/940水流的机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中。我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。这种现象叫做能量的耗散。2021/5/941电能在灯泡中转变成光能光被墙壁吸收后变成周围环境的内能能否把这些内能收集起来重新利用？2021/5/942火炉把屋子烤暖，这时高温物体的内能变成低温物体的内能。能否把这些散失的能量重新收集到火炉中再次用来取暖？2021/5/943

宇宙中存在着温度的下限：-273.150C。以这个下限为起点的温度叫热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K。T=t+273.15K2021/5/944氢弹爆炸中心108K实验室已获得的最高温度6×107K太阳中心1.5×107K地球中心4×103K乙炔火焰2.9×103K金的凝固点1337.33K锡的凝