第十三章热力学基础第6节 热力学第二定律 卡诺定律 (2)

1、13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础11.自然过程的方向性自然过程的方向性 自然界的一切实际热力学过程自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行都是按一定方向进行的，反方向的的，反方向的逆过程不可能自动地进行逆过程不可能自动地进行，即符合热一律，即符合热一律的过程，不一定能在自然界发生。例如：功热转换过程，的过程，不一定能在自然界发生。例如：功热转换过程，热传导，气体的绝热自由膨胀。热传导，气体的绝热自由膨胀。例如例如：1)热不能自动转化为功热不能自动转化为功水水叶片叶片重物重物重物重物绝

2、热壁绝热壁焦耳热功当量实验焦耳热功当量实验 重物下落，功全部转化成热重物下落，功全部转化成热而不产生其他变化，可自然进行。而不产生其他变化，可自然进行。 水冷却使叶片旋转，从而提水冷却使叶片旋转，从而提升重物，则不可能自然进行。升重物，则不可能自然进行。13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础22)2)热传导热传导ABT1T2ABT1T2=非等温热传导过程非等温热传导过程结论：热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的结论：热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的; 热量不能热量不能自动地自动

3、地(对系统或环境不产生任何影响对系统或环境不产生任何影响)由低温物由低温物体传向高温物体。体传向高温物体。真空真空3)气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀结论：气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的，充结论：气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的，充满容器的气体不能满容器的气体不能自动地自动地收缩而只占原体积的一部分。收缩而只占原体积的一部分。13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础3过程的唯一效果能否发生热功转换功热功热热传导高温热量低温高温热量低温气体扩散分离混合分离混合一些自然过程的方

4、向：全部全部a.功热转换的条件功热转换的条件，第一定律无法说明第一定律无法说明.b.热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题，第热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题，第一定律无法说明一定律无法说明.13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础4 1 开尔文说法开尔文说法(1851) 不可能制造出这样一种不可能制造出这样一种循环循环工工 作的作的热机，它只使热机，它只使单一单一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量给其它物体，或者说放出热量给其它物体，或者说不使外界不使外界发发生任何

5、变化生任何变化 .其唯一效果是其唯一效果是热全部转变为热全部转变为功功的过程是的过程是不可能不可能的。的。 一一 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础5 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，单一热源吸热作功，而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但它是非循环过程但它是非循环过程.12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoWETQ W13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定

6、理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础6低温热源低温热源2T高温热源高温热源1T卡诺热机卡诺热机1Q2QWVop2TW1TABCD21TT 卡诺循环是循环过程，但需两个热卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化源，且使外界发生变化.13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础7 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础8 2

7、 克劳修斯说法克劳修斯说法(1850) 热量不能热量不能自动自动地从低温物体传向高地从低温物体传向高温物体，即温物体，即不不可能把热量从低温物体可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不引起外界的变化不引起外界的变化。13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础9 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化高温物体，但需外界作功且使环境发生变化 .高温热源高温热源1T低温热源低温热源2T卡诺致冷机卡诺致冷机1Q2QW

8、Vop2TW1TABCD21TT 2Q1Q13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础10第二类永动机：第二类永动机：只利用单一热库进行工作的热机。只利用单一热库进行工作的热机。 对一台热机来说，就是热机效率为对一台热机来说，就是热机效率为 100%100%。它是不可能实现的。因为它。它是不可能实现的。因为它 违反了热力学第二定律。违反了热力学第二定律。第一类永动机：第一类永动机：不需要能量输入而能继续做功的不需要能量输入而能继续做功的 机器。它是不可能实现的。因为机器。它是不可能实现的。因为 它违

9、反了热力学第一定律。它违反了热力学第一定律。13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础11注注 意意1.热力学第二定律是大量实验和经验的总结，热力学第二定律是大量实验和经验的总结，说明自然说明自然宏观过程按一定方向进行的规律。宏观过程按一定方向进行的规律。3.热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自然界过程进行的方向性。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热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性性 。

10、4.热二律是反映大量分子运动的无序程度变化的规律。热二律是反映大量分子运动的无序程度变化的规律。1)功热转换功热转换 功功 热热 机械能机械能 内能内能 大量分子有序运动大量分子有序运动 大量分子无序运动大量分子无序运动 自然过程总是沿着使大量分子从有序状态自然过程总是沿着使大量分子从有序状态向无序状态的方向进行。向无序状态的方向进行。13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础12这说明，由于热传导，大量分子运动的无序性增大了。这说明，由于热传导，大量分子运动的无序性增大了。2)热传导热传导末态：

11、两物体温度相同末态：两物体温度相同此时已不能按分子的平均此时已不能按分子的平均动能的大小来区分两物体动能的大小来区分两物体初态：两物体温度不同初态：两物体温度不同此时尚能按分子的平均动此时尚能按分子的平均动能的大小来区分两物体。能的大小来区分两物体。分子的运动状态分子的运动状态(分子的位置分布分子的位置分布)更加无序了。更加无序了。 3)气体绝热自由膨胀气体绝热自由膨胀 末态：分子占据较末态：分子占据较大大空间空间初态初态: 分子占据较小空间分子占据较小空间13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基

12、础13 可逆过程可逆过程 : 在系统状态变化过程中，如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果逆过程能重复正过程的每一状态, 而且而且不引起其它变化不引起其它变化, 这样的过程叫做可逆过这样的过程叫做可逆过程程 .二二 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础14 不可逆过程不可逆过程：在不引起其它变化的条件下，：在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽不能使逆过

13、程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其它变化，这样的过程叫能重复但必然会引起其它变化，这样的过程叫做不可逆过程做不可逆过程.非非准静态过程为不可逆过程准静态过程为不可逆过程.13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础15 准静态过程（无限缓慢的过程），且准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量耗散的过程能量耗散的过程 . 可逆过程的条件可逆过程的条件13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡

14、诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础16非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的程都是不可逆的 . 热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发13-6 13-6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定卡诺定理理物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础171.不可逆过程不是不能在相反方

15、向进行的过程不可逆过程不是不能在相反方向进行的过程,关键是关键是不能自发地不能自发地进行进行。自然界一切与热现象有关的实际自然界一切与热现象有关的实际宏观宏观过程都是不可逆的过程都是不可逆的. 2. 上述不可逆过程都是上述不可逆过程都是宏观过程宏观过程,系统中包含大量分子系统中包含大量分子.例如在气例如在气体绝热自由膨胀中体绝热自由膨胀中,如果气体中只含有少数几个分子如果气体中只含有少数几个分子(如如3个个),这几这几个分子完全有可能全部自动地回到原来的半个容器中去。个分子完全有可能全部自动地回到原来的半个容器中去。注意注意3.自然界中的自然界中的不可逆过程是相互联系不可逆过程是相互联系的的,是等价的是等价的,由一个过程的由一个过程的不可逆性可以推断另一个的不可逆性不可逆性可以推断另一个的不可逆性,相反相反,一个实际过程的不可一个实际过程的不可逆性消失逆性消失,其它实际过程的不可逆性也随之消失。其它实际过程的不可逆性也随之消失。结论：结论：每个不可逆过程都可以作为每个不可逆过程都可以作为热力学第二定