第三章-热力学第二定律

1、第三章 热力学第二定律,第三章 热力学第二定律,1、阐明热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述。论证两种表述的一致性。 2、介绍可逆过程、不可逆过程的概念。 3、介绍卡诺定理，并根据热力学第一、二定律加以证明。 4、热力学温标。 5、由克劳修斯等式引出态函数熵。介绍热力学第二定律的数学表达式。由克劳修斯不等式推证熵增加原理。,热力学第二定律的文字表述,引入熵以及热力学第二定律的数学表示,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒与转换定律,所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行,自发过程的方向性,自发过程：不需要任何外界作用而自动进 行的过程。,自然界自发过程都具有方向性,热量由

2、高温物体传向低温物体 摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势,问题：自发过程的方向由什么因素决定？,自发过程的方向性,功量,自发过程具有方向性、条件、限度,摩擦生热,热量,100%,热量,发电厂,功量,40%,放热,热力学第一定律有两方面的问题没有涉及到：,其一、热力学第一定律强调的是能量在数量上的守恒，没有考虑到不同类型能量在作功能力上的差别。,其二、热力学第一定律不能判断热力学过程的方向性。,事实表明任何热力学过程都具有方向性可以自发进行的热力学过程，而其反向过程则不能自发进行。,热力学第二定律的实质,能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?,自然界过程的方

3、向性表现在不同的方面,热力学第二定律,指出了不同形式能量间的互相转化和传递所具有的条件性和方向性,1热力学第二律的表述与实质,热功转换 传 热,热二律的表述有 60-70 种,1851年 开尔文普朗克表述 热功转换的角度,1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度,开尔文普朗克表述,不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为有用的功而不产生其它影响。,热机是把热转变成了功,但有了其它变化 (热量从高温热源传给了低温热源).,理想气体等温膨胀过程是把热全部变成了 功,但伴随了其它变化(体积膨胀).,热机必须循环动作，这就至少要 有两个温度不同的热源。,单一热源（T1）吸热的循环?,但此绝热压缩是不能

4、实现的, 因为它不满足绝热方程：,（绝热线比等温线更陡）,若是从单一热源（T1）吸热的循环， 必由一等温膨胀过程和一绝热压缩过程构成，,但违反了热 力学第二定律,第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。,这类永动机 并不违反热力 学第一定律,第二类永动机是不可能制造成功的,开尔文表述的另一说法是（结合热机） : 第二类永动机( 又称单热源热机,其效率 =1, 即热量全部转变成功)是不可能制成的.,环境是个大热源,第二类永动机?,如果三峡水电站用降温法发电，使水 温降低5C，发电能力可提高11.7倍。,设水位差为180米,重力势能转化为电能：,mkg水降低5C放热：,第二类永动

5、机?,单热源热机,水面,制冷系统,耗功,水,发电机,蒸汽,克劳修斯表述,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。,热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。,空调,制冷,代价：耗功,两种表述的关系,开尔文普朗克 表述,完全等效!,克劳修斯表述：,违反一种表述,必违反另一种表述!,证明1、违反开尔文表述导致违反克劳修斯表述,Q1 = Aa + Q2,反证法：假定违反开尔文表述 热机a从单热源吸热全部作功,Q1 = Aa,用热机a带动可逆制冷机b,取绝对值,Q1 -Q2= Aa = Q1,Q1 -Q1 = Q2,违反克劳修斯表述,Q2,Q1,Aa,Q1,证明2、违反克劳修斯表

6、述导致违反开尔文表述,Aa = Q1 - Q2,反证法：假定违反克劳修斯表述 Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机a从热源吸热Q1,冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功Aa,违反开尔文表述,Q2,Q2,Aa,Q1,Q2,对外作功Aa,对冷源放热Q2,1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说 法都反映了自然界过程进行的方向性 .,2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说 法具有等效性 .,2 热现象过程的不可逆性,可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .,准静态无摩擦过程

7、为可逆过程,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,卡诺循环是可逆循环。 可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小， 即等温热传导。 在热现象中，这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。,可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不 能真正达到。,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。,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,

8、热力学第二定律的实质,根据热力学第二定律，判断下列说法正确的是,A、热可以从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体； B、功可以全部变为热，但热不能全部变为功； C、不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程； D、一切与热有关的自发过程都是不可逆的。,D,“理想气体和单一热源接触作等温膨胀时，吸收的热量全部用来对外作功”对此说法，有如下几种评论，哪种是正确的？ (A) 不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律 (B) 不违反热力学第二定律，但违反热力学第一定律 (C) 不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律 (D) 违反热力学第一定律，也违反热力学第二定律 ,C,有下列几种说

9、法（1）可逆过程一定是平衡过程；（2）平衡过程一定是可逆过程；（3）不可逆过程一定是非平衡过程；（4）凡有摩擦的过程，一定是不可逆过程。其中正确的是：,A、（1）、（2）、（3） B、（2）、（3）、（4） C、（1）、（3）、（4） D、（1）、（4）,D,利用热力学第二定律的两种表述判别可逆、不可逆,一、自由膨胀是不可逆的,气体自由膨胀,会自动发生,气体自动收缩,不会自动发生,（一）由功变热的不可逆性证明自由膨胀的不可逆,由功变热的不可逆性证明自由膨胀的不可逆,（2）根据假设气体可以自动压缩而不产生对外影响，所以膨胀后的气体可自动回复原状态,（1）假设自由膨胀是可逆的，使气体与热源接触保持

10、温度不变，气体从热源吸热等温膨胀，有,（3）结论：产生的唯一效果：自单一热源吸热全部用来对外作功而没有其它影响。与功变热是不可逆的事实和观点相违背。所以假设不成立。,（二）由自由膨胀的不可逆证明功变热的不可逆性,（1）假设功变热是可逆的，热机a从热源T处吸收热量Q全部转化为有用功,（2）热机a推动活塞压缩气体，同时使气体与热源接触保持温度不变，气体向热源放热为,（3）结论：气缸内气体可以自动收缩而不产生对外影响，即自由膨胀是可逆的，与自由膨胀不可逆的前提相悖，所以假设不成立。,二、扩散是不可逆的,（一）由功变热的不可逆性证明扩散的不可逆,（1）假设扩散过程可逆,（2）如图所示装置。 膜：只能A分子通过； 膜：只能B分子通过,（3）膜和膜置于容器中间，让气体与热源接触并保持不变，有：,（4）由于混合气体A、B可以自动分开而不产生对外影响， 膜和膜可以自动回到容器中间。,（5）结论：系统从单一热源吸热全部用来对外作功而没有其它影响。与功变热是不可逆的事实和观点相违背。所以假设不成立。,课后思考：由扩散的不可逆证明功变热的不可逆性,1.下列过程是否可逆？为什么？ （1）在恒温下加热使水蒸发。 （2