高二物理竞赛可逆过程和不可逆过程 课件

第四章热力学第二定律关于自然过程的方向的规律，它决定了实际过程是否能够发生以及沿什么方向进行。自然界的一条基本规律大量实验证明，如果没有外界影响，系统能够自动发生的过程称为自发过程，自发过程只能向一个方向进行，而反方向的逆过程不可能自动地发生。一、热力学过程的方向性1、

可逆过程和不可逆过程例如：(1)气体会自动地向真空膨胀，而不会自动地向一边收缩而使另一边变成真空。(2)高处的水会自动地向低处流动，而不可能自动地从低处流向高处。(3)热量会自动地从高温物体传向低温物体，而不会自动地从低温物体传向高温物体。要使上述各例的自发过程逆向进行，就必须施加外界影响。例如，使用空气压缩机使气体收缩；用水泵使水从低处流向高处；用致冷机使热量从低温处向高温处传递。在使用这些外界设备工作时，必定会消耗外界的能量，使外界发生变化，从而在外界留下痕迹。二、可逆过程和不可逆过程1.可逆过程如果系统不能逆向回复到1，或当系统在回复到初状态1的逆向过程中，引起外界的变化，在外界留下了痕迹，使外界不能回复原状，则由状态1到状态2的过程，称为不可逆过程。2.不可逆过程在一个过程发生时，系统从某个状态1经过一系列的中间状态，最后变化到另一个状态2。如果使系统进行逆向变化，由状态2经历与原过程完全一样的那些中间状态，回复到原状态1；并且在逆向变化的过程中，原过程对外界所产生的一切影响逐步地被一一消除，在外界不留丝毫痕迹，则由状态1到状态2的过程，称为可逆过程。请看图(2)。★按照上述可逆过程与不可逆过程的定义，自然界一切自发过程都是不可逆过程。例如：◆通过摩擦使功变热的过程是不可逆的。焦耳实验：重物可以自动下落，带动轮浆在水中转动，和水相互摩擦而使水温上升，这是机械能转变为内能的过程－－功变热的过程。焦耳实验相反的过程，即水温自动降低产生水流，推动轮浆反向转动，带动重物上升，并且系统和外界都回复原状－－热自动地转变为功的过程，显然是不可能自动实现的。◆热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆的。低温物体高温物体热平衡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而达到热平衡。相反的过程，即热量自动地由低温物体传给高温物体，从而使两物体的温差越来越大－－从未发现。◆

非静态过程是不可逆的V1

→V2V2

→V1(a)快速膨胀(b)快速压缩例如：气体推动活塞快速膨胀的过程具有不可逆性：气体快速膨胀时，因气体每一中间状态达不到平衡态，活塞附近的气体压强p’

小于气体内部的压强

p，气体对外界作功为：在气体被快速压缩回原体积时，情况相反，活塞附近的气体压强p’’

大于气体内部的压强p，，外界对气体所做的功为：可见A外

>A，所以在气体被压缩回原体积时，外界对气体多作了净功(A外

–A)>

0，使气体内能增加。系统和外界都发生了变化。都没有恢复原来状态，所以气体快速膨胀或其他各种非静态过程是不可逆的。总之，实际的热力学过程都是按一定方向进行的。或者说自然界中一切与热现象有关系的实际过程都是不可逆的。三、可逆过程的条件(1)单纯的、无机械能耗散的机械过程是可逆的

例如：一个理想的单摆，在没有空气阻力和其他摩擦力作用时，它的摆动过程是可逆的。

(2)无摩擦、无耗散(漏气、散热或电磁损耗等)的准静态过程是可逆的。仍以气体膨胀或压缩为例，如果过程进行得无限缓慢，使气体在过程中的每一时刻都处于平衡态，而且没有漏气、摩擦和散热等损耗，则当过程逆向进行时，就能重复原过程的所有中间状态而恢复原状，在外界也不留下任何痕迹。即在不考虑摩擦、漏气和散热等损耗的理想情形下，准静态过程是可逆的。气体无限缓慢地膨胀p’’=p由若干个可逆过程组成的循环，叫做可逆循环。在一个循环中，如果有一个分过程是不可逆的，即使其余各分过程都是可逆的，这个循环仍是不可逆循环。

在本章第七节所述的卡诺循环，因每个分过程都是无摩擦、无耗散的准静态过程，所以卡诺循环是理想的可逆循环。

能实现可逆循环的热机和致冷机，叫做可逆热机和可逆致冷机。四、可逆循环和不可逆循环说明(1)

开尔文表述否定了第二类永动机的可能性。如右图所示，历史上曾有人企图制造“一种循环动作的热机，只从单一热库吸取热量，使之全部变为功，而不向低温热库放出热量，或者说不引起其它变化。”这种热机称为第二类永动机或单热库热机，其效率η=100％。虽然它不违背热力学第一定律，但它违背了热力学第二定律的开尔文表述。单热库机低温热库高温热库Q1A

=

Q1(2)

开尔文表述中强调了“在不引起其他变化的条件下，‘热’不能全部变为‘功’。”如果允许“其它变化”发生，热可以全部变为功。例如：气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒温热库吸收的热量就可以全部用来对外做功。但气体“体积和压强”发生了变化，它不能循环动作返回原状态。说明(a)热量可自动地从高温物体传向低温物体；(b)热量自动地从低温物体传向高温物体是不可能的。(2)如果允许“其它变化”（例如：利用致冷机做功），热量便可以从低温物体传向高温物体，而致冷机做功就属于“其它变化”。(1)

克劳修斯表述中强调了“在不引起其它变化的条件下，热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。”(3)

如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源。按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷，其致冷系数w=∞。克劳修斯表述否定了这种可能性。低温热库T2A=0高温热库T1Q2Q1=Q2无功致冷机两种表述的等效性热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述在本质上是完全等效的。如果违背了其中一种表述，则必然违背另一种表述。(1)

如果开尔文表述不成立，可制成一个单热库热机，将它同另一个致冷