第23章 热力学第二定律.ppt

1、第23章 热力学第二定律 熵,23.1 热机 致冷机 23.2 热力学第二定律 23.3 卡诺循环 卡诺定理 23.4 热力学温标 23.5 熵 23.6 熵增加原理 23.7 热力学第二定律的统计意义,23.1 热机 致冷机,一 热机 热机效率,准静态循环，工质为 理想气体，只和两个 恒温热库交换热量。,吸热Q1,放热Q2,做功W,Q1=Q2+W,热机效率,（Q1,Q2为绝对值）,二 致冷机 致冷系数,致冷系数,吸热Q2,放热Q1,做功W,Q1=Q2+W,（Q1,Q2为绝对值）,热机效率,经过许多科学家为提高热机效率所做的努力最终仍不能制造出 热机的事实面前，科学家开始认识到，尽管该热机不违

2、反热力学第一定律（能量守恒定律），但却制造不出来，表明有些过程是不能实现的。,23.2 热力学第二定律,热力学第二定律的克劳修斯 叙述： 热量不能 自动地 由低温物体传向高温物体。,热力学第二定律的开尔文叙述：其 唯一效果 是热全部变成功的过程是不可能的。,单热源热机是不可能制成的。 （热机的工质是做循环）,两种表述的等效性,（3） 两种表述的等效性,否定克劳斯表述,必然否定开尔文表述,否定开尔文表述,必然否定克劳斯表述,只满足能量守恒的过程一定能实现吗？ 功热转换,通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的（irreversible）； 或，热不能自动转化为功；或，唯一效 果是热全部变成功的过程是不

3、可能的。,功热转换过程具有方向性。,可逆过程和不可逆过程,热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的； 或， 热量不能自动地由低温物体传向高温物体。,气体的绝热自由膨胀 （Free expansion）,气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。,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。,热传导 （Heat conduction）,一个过程，如果每一步都可以在相反的方向进行而不引起外界的任何其他变化，该过程为可逆过程。,可逆过程：,不可逆过程：,用任何其他方法都不能使系统和外界复原的过程。,可逆过程形成的条件： 准静态，无摩擦。,可逆过程？ 尽管实际不存

4、在，为了理论上分析实际过程的规律，引入理想化的概念，如同准静态过程 一样。,气体膨胀和压缩,无摩擦的准静态过程,外界压强总比系统大一 无限小量，缓缓压缩； 假如， 外界压强总比系统 小一 无限小量，缓缓膨胀。,一个过程进行时，如果使外界条件改变一无穷小的量，这 个过程就可以反向进行（其结果是系统和外界能同时回到 初态），则这个过程就叫做可逆过程。,系统从T1到T2 准静态过程； 反过来，从T2到T1只有无穷小的变化。,等温热传导，可逆 过程的必要条件。,可逆循环,热传递,经常忽略摩擦等，简化了实际过程，易于理论上近似处理。,23.3 卡诺循环 卡诺定理,一 循环过程 U=0,循环为准静态过程，

5、在状态图中对应闭合曲线。,二 卡诺循环,两个等温过程和两个绝热过程组成。,等温,绝热,两式相除,卡诺循环效率,卡诺循环的热机效率：,卡诺热机,卡诺致冷机,致冷系数：,二 卡诺定理,23.4 热力学温标（自看）P163,卡诺定理：1）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的 一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关； 2）在相同的高温热库和相同的低温热库之间工作的 一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的 效率。,热力学第三定律：,绝对零度达不到。,任一可逆循环，用一系列 微小可逆卡诺循环代替。,每一 可逆卡诺循环都有：,23.5 熵,所有可逆卡诺循环加一起：,任意两点1和2， 连两条路径

6、 c1 和 c2,熵公式可以对任意可逆过程计算系统熵的变化，即只可计算相对值；对非平衡态克劳修斯熵公式无能为力。如果两个平衡态之间，不是由准静态过程过渡的，要利用熵公式计算系统熵的变化，就要设计一个可逆过程再计算。,例：1kg 0 oC的冰与恒温热库（t=20 oC ）接触，冰和水微观 状态数目比？（熔解热=334J/g）最终熵的变化多少？,解：冰融化成水,水升温，过程设计成准静态过程，即，与一系列热库接触,热库，设计等温放热过程,总熵变化,例：1摩尔气体绝热自由膨胀，由V1 到V2 ，求熵的变化。,1）由玻耳兹曼熵公式，,因 （R=kNA ）,设计一可逆过程来计算,a,b,c,1,2,3,4

7、,a）,b）,23.6 熵增加原理,孤立系统所进行的自然过程总是有序向无序过渡，即总是 沿着熵增加的方向进行。,如：功热转换，热传递，理想气体绝热自由膨胀等。,亚稳态,熵补偿原理,当一个孤立系统在经历了一变化过程后，系统的熵不会减少。如果过程是不可逆的，则系统的熵是增加的；如果过程是可逆的，则系统的熵是不变的。 熵增加原理,例：一物体热容量 C（常数），温度 T，环境温度 T，要求热 机在 T 和 T 之间工作（T T），最大输出功是多少？,解：1） 可逆卡诺热机效率最高，且,这就是最大输出功,2）,工作物质Q，则热库 -Q,例：1mol 理想气体装在一个容器中，被绝热隔板分成相等的两 部分（体积相等，粒子数相等），但温度分别为 T1 和 T2 ， 打开绝热隔板，混合，达到平衡态，求熵的变化。,解：1）设计一可逆过程，使气体温度达到平衡温度 T，再混合,相同气体？,2）利用,积分得,对两部分分别计算，然后 再相加，结果相同。,不同气体混合熵,23.7 热