2022-2023学年高中物理竞赛课件：热力学第二定律与熵

热力学第二定律与熵等温膨胀过程吸热等温压缩过程放热（这里Q取正值）两次绝热过程：Q=0利用绝热过程方程卡诺热机循环效率(1)卡诺循环的效率只与两热源的温度T1,

T2有关,与循环的面积无关;(2)循环必须两个热源,一个热源不行;(3)提高效率的途径:升高T1(或降低T2).说明（4）卡诺循环效率

<1（5）在相同高温热源和低温热源之间工作的一切热机中，卡诺循环的效率最高。卡诺循环效率有:卡诺致冷机Q1Q2W高温热库T1低温热库T2工质PVT1T2Q1Q2W1432卡诺致冷机的致冷系数等温膨胀从低温热源吸热Q2等温压缩向高温热源放热Q1Q2=νRT2ln(V3/V4)Q1=νRT1ln(V2/V1)致冷系数e=Q1–Q2Q2§3.1热力学第二定律的经典表达一.自然过程进行的方向性

满足能量守恒的过程一定能实现吗？功热转换摩擦变热的过程是有方向性的。或：热不能自发转化为功.或:唯一效果使热全部变成功的过程是不可能的.热转化为功是可能的,但不是自发.如等温膨胀,工作物质是将从外界获得的热量全部变为功,但工作物质的体积发生变化.要使热不断地转化为功,必须浪费一部分热量,即:热机的效率不可能100.本节要求：

理解为什么要提出热力学第二定律

掌握热力学第二定律的文字叙述及其含义

理解可逆过程与不可逆过程的概念热传导

热量不能自动地由低温物体传向高温物体。热传导是有方向性的。气体的绝热自由膨胀

气体向真空中绝热自由膨胀的过程是有方向性的。气体可以自动地从小体积向大范围膨胀,但不可能自动地从大范围向小体积收缩.1.可逆过程与不可逆过程(1)可逆过程如果一个过程发生后,可以沿原过程的反向进行,并使系统和外界都再回到它们初始状态.例如:真空中的单摆,无摩擦耗散的准静态过程.可逆过程的条件:无摩擦(无粘滞或无其它耗散效应);准静态过程.(2)不可逆过程论采取什么曲折的途径和办法都不能使系统和外界都再回到它们初始状态.不可逆过程不能理解为系统不能回到初态,而是消除不了对外界的影响.可逆过程产生的影响在逆过程中可完全消除.例如:自然界的一切自发过程都是不可逆的。2.自然过程的方向性非平衡态到平衡态的过程是不可逆的。一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.3.不可逆过程的相互依存性各种不可逆性之间存在内在联系,即从一种不可逆性可以导出另一种不可逆性.二.热力学第二定律（描述自然宏观过程按一定方向进行的规律）定律的两种表述(1)克劳修斯表述从热传递的方向性热不可能自发地从低温物体向高温物体传递.(2)开尔文表述只从单一温度热吸热,使其全部变为有用功而不引起其他变化是不可能的.或:单一热源的热机是不可能制成的.或:第二类永动机是不可能实现的.从热功转换的方向性热力学第二定律表明:遵守热力学第一定律的过程并非都能实现,故它是独立于热力学第一定律的。热力学第二定律的两种表述具有等价性.§3.2卡诺定理与热力学温标一.卡诺定理1.可逆热机与不可逆热机其所有过程全为可逆过程的热机为可逆热机.其所有过程不全为可逆过程的热机为不可逆热机.2.卡诺定理(1)在相同高温热源(T1)和相同低温热源(T2)间工作的一切可逆热机的效率相同,与工作物质无关.其效率为本节要求：理解卡诺定理掌握热力学温标的定义

热力学温标与理想气体温标的关系

η可逆=1–T2/T1(2)在相同高温热源(T1)和相同低温热源(T2)间工作的一切不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。η不可逆<1–T2/T1二.卡诺定理的证明1.R:可逆热机;I:不可逆热机R反向作致冷机,一个循环后:若,则整个联合循环从单一热源吸收热量对外做功且不对外界产生影响,违背热二律.若,则整个系统和外界回到了初始状态,与I是不可逆机矛盾.故只可能T1T2

IRT1T2R2R12.两可逆热机,R1反向作致冷机,一个循环后,只能有:R2反向作致冷机,一个循环后,只能有:η=1–Q2/Q1≤1–T2/T1指明了热机效率的极限值和提高热机效率的途径:尽可能提高高温热源的温度T1和降低低温热源的温度T2；尽可能使热机变为可逆机，减小不可逆因素（如漏气、散热、摩擦等）三.热力学温标的定义任意工质的可逆机,效率都一样,且仅取决与高低温热源温度:Kelvin建议：η=1–Q2/Q1≤1–T2/T1仅确定了新温标的两个物体的温度比，还需选取一个固定点固定点为低温固定点为高温1954年国际计量大会规定标准状态下纯水的三相点温度为273.16K,以此为固定点.四.热力学温标与理想气体温标关系1.两者的联系

因此,在理想气体温标适用的范围内，两种温标一致,以后都用T来表示它们。二者又选取相同的固定点热力学温标建立在理想的可逆循环基础上,故热力学温标只是不能实现的理论上的温标，实际应用很困难.它通过理想气体温标来体现。2.两者的区别

理想气体温标：