大学物理学（第2版）课件：热力学第二定律

热力学基础

热力学第二定律二、热力学第二定律三、卡诺定理一、可逆过程和不可逆过程复习热力学第一定律热一律应用于理想气体的等值过程热机和制冷机卡诺循环热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，或者说是有方向性的。对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律。7－4热力学第二定律引言一、可逆过程和不可逆过程1.引入：热传递：正过程——热量从高温物体→低温物体，成立逆过程——热量从低温物体→高温物体，不成立热功转换：正过程——功→热量，成立逆过程——热量→功，不成立热力学的过程是有方向的。一、可逆过程和不可逆过程2.定义：

在系统状态的变化过程中，系统由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全恢复原来的状态（即系统回到原来状态，同时原过程对外界引起的一切影响）则这样的过程称为可逆过程；

反之，如果用任何曲折复杂的方法都不能使系统和外界完全恢复原来的状态，则这样的过程称为不可逆过程。3.可逆过程的条件过程要无限缓慢地进行，即属于准静态过程；过程无耗散（没有摩擦力、粘滞力或其它耗散力做功）。即只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能是可逆的。

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。例如：理想气体绝热自由膨胀是不可逆的;热传导过程是不可逆的。一、可逆过程和不可逆过程二、热力学第二定律1.热力学第二定律的两种表述(1)热力学第二定律的克劳修斯表述（1850）：

不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引起其他变化。

克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。克劳修斯（RudolfClausius，1822-1888），德国物理学家，对热力学理论有杰出的贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述和熵的概念，并得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动理论创始人之一，提出统计概念和自由程概念，导出平均自由程公式和气体压强公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的气体物态方程。开尔文（W.Thomson，1824-1907），原名汤姆孙，英国物理学家，热力学的奠基人之一。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、电磁学、波动和涡流等方面卓有贡献，1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他，国际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名。(2)热力学第二定律的开尔文表述（1851）：

不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界产生任何变化。

开氏表述指明功变热的过程是不可逆的。二、热力学第二定律(3)第二类永动机概念：历史上曾经有人企图制造这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸收热量，并将热量全部用来做功而不放出热量给低温热源，因而它的效率可以达到100%。即利用从单一热源吸收热量，并把它全部用来做功，这就是第二类永动机。第二类永动机不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律，因而也是不可能造成的。二、热力学第二定律2.热力学第二定律两种描述的等价性

开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，二者在表述实际宏观过程的不可逆性这一点上是等价的。即一种说法是正确的，另一种说法也必然正确；如果一种说法是不成立的，则另一种说法也必然不成立。可用反证法证明。二、热力学第二定律开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立二、热力学第二定律克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立二、热力学第二定律3.关于热力学第二定律的说明热力学第一定律是守恒定律。热力学第二定律则指出，符合第一定律的过程并不一定都可以实现的，这两个定律是互相独立的，它们一起构成了热力学理论的基础。热力学第二定律除了开尔文说法和克劳修斯说法外，还有其他一些说法。事实上，凡是关于自发过程是不可逆的表述都可以作为第二定律的一种表述。每一种表述都反映了同一客观规律的某一方面，但是其实质是一样的。热力学第二定律可以概括为：一切与热现象有关的实际自发过程都是不可逆的。二、热力学第二定律三、卡诺定理

(1)在温度为的高温热源和温度为的低温热源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作物质无关，其效率为

(2)在温度为的高温热源和温度为的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆热机的效率。

卡诺定理指出了提高热机效率的途径：

a.使热机尽量接近可逆机；

b.尽量提高两热源的温度差。卡诺≤第五节

熵熵增加原理一、熵二、熵的计算三、熵增加原理四、熵增加原理与热力学第二定律

由卡诺定理可知，工作在两个给定的高温热源和低温热源之间的所有可逆热机，如果其中有一可逆卡诺热机，则有一、熵1.克劳修斯等式

系统从热源T1吸热Q1，从T2吸热Q2（<0）。上式又可写为定义Q/T为热温比推广：对于任意循环过程（右图所示），可将过程划分成许多小过程，有在一般情况下克劳修斯等式如图所示的可逆循环过程中有两个状态A和B，此循环分为两个可逆过程AcB和BdA，则ABcdVp一、熵

沿可逆过程的热温比的积分，只取决于始、末状态，而与过程无关，与保守力做功类似。因而可认为存在一个态函数，定义为熵。对于可逆过程2.熵

在一个热力学过程中，系统从初态A变化到末态B的时，系统的熵的增量等于初态A和末态B之间任意一个可逆过程的热温比的积分。对于一个微小过程单位：J.K-1一、熵由于熵是态函数，故系统处于某给定状态时，其熵也就确定了。如果系统从始态经过一个过程达到末态，始末两态均为平衡态，那么系统的熵变也就确定了，与过程是否可逆无关。因此可以在始末两态之间设计一个可逆过程来计算熵变；系统如果分为几个部分，各部分熵变之和等于系统的熵变。二、熵的计算例题1.求理想气体的状态函数熵设有1摩尔理想气体，其状态参量由p1,V1,T1变化到p2,V2,T2

，在此过程中，系统的熵变为由热力学第一定律，上式可以写成等温过程等体过程等压过程例题2

计算理想气体自由膨胀的熵变(参照P132图7-7）解

气体绝热自由膨胀dQ=0dW=0dU=0。对理想气体，膨胀前后温度T0不变。为计算这一不可逆过程的熵变，设想系统从初态（T0，V1）到终态（T0，V2）经历一可逆等温膨胀过程，借助此可逆过程来求两态熵差。pVV1V212结论：理想气体自由膨胀中的熵变是大于零的。三、熵增加原理内容：孤立系统经一绝热过程后，熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值增加。应用：

熵增加原理用于判断过程进行的方向和限度。

若系统经绝热过程后熵不变，则此过程是可逆的；若熵增加，则此过程是不可逆的。

——可判断过程的性质

孤立系统内所发生的过程的方向就是熵增加的方向。

——可判断过程的方向

四、熵增加原理与热力学第二定律在热传导问题中，热力学第二定律：热只能自动地从高温物体传递给低温物体，而不能向相反的方向进行。熵增加原理：孤立系统中进行的从高温物体向低温物体传递热量的热传导过程，是一个不可逆过程，在这个过程中熵要增加，当孤立系统达到温度平衡状态时，系统的熵具有最大值。热力学第二定律与熵增加原理对热传导方向的叙述是等价的。熵增加原理的表达式就是热力学第二定律的数学表达式。四、熵增加原理与热力学第二定律

熵的增加是能量退化的量度。

热源温度愈高它所输出的热能转变为功的潜力就愈大，即较高温度的热能有较高的品质。

一切不可逆过程实际上都是能量品质降低的过程，热力学第二定律提供了估计能量品质的方法。关于熵增加原理与热力学第二定律的说明1.提高实际热机的效率,下面几种设想中不可行的是（

）采用摩尔热容量较大的气体作工作物质提高高温热源的温度使循环尽量接近卡诺循环力求减少热损失、摩擦等不可逆因素ABCD提交单选题1分2.在下面节约与开拓能源的几个设想中,理论上可行的是（

）在现有循环热机中进行技术改进,使热机的循环效率达100%利用海面与海面下的海水温差进行热机循环做功从一个热源吸热,不断作等温膨胀,对外做功从一个热源吸热,不断作绝热膨胀,对外做功ABCD提交单选题1分3.关于热运动规律，下列说法中唯一正确的是（

）任何热机的效率均可表示为任何可逆热机的效率均可表示为一条等温线与一条绝热线可以相交两次两条绝热线与一条等温线可以构成一个循环ABCD提交单选题1分4.地热发电机从550K的热泉吸热，向300K的环境放热，假定每小时吸热1.8×109J，发电机的功率为[填空1]KW。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题2分5.一卡诺热机的低温热源温度为7℃，效率为40%，若要将其效率提高到50%，则高温热源的温度需要提高[填空