物化第二章热力学第二定律
164页1、第二章 热力学第二定律,自发过程 某种变化有自动发生的趋势,一旦发生就无需借助外力,可以自动进行,这种变化称为自发过程。,自发过程具有方向的单一性和限度,第一节 自发过程的特征 Feature of Spontaneous Process,自发过程的不可逆性,一切自发过程都是不可逆过程一切自发过程的共同基本特征,其本质是热与功转换的不可逆性。,自发过程具有作功的能力 自发过程都可以随过程的进行而作功,直至平衡到达,丧失作功能力。,第二节 热力学第二定律 The Second Law of Thermodynamics,克劳修斯(Clausius)的说法:“不可能把热从低温物体传到高温物体,而不引起其它变化。”,开尔文(Kelvin)的说法:“不可能从单一热源取出热使之完全变为功,而不发生其它的变化。” 奥斯特瓦德(Ostward)表述为:“第二类永动机是不可能造成的。”,第二类永动机:从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。,第三节 卡诺循环 Carnot Cycle,1824年,法国工程师N. L. S. Carnot 设计了一个循环,以理想气体为工作物质,从高温热源T2吸收Q
2、2的热量,一部分通过理想热机用来对外做功W,另一部分热量Q1放给低温热源T1。,1mol 理想气体的卡诺循环在 pV图上可以分为四步:,1.等温(T2)可逆膨胀由p1V1到 p2V2(AB),所作功如AB曲线下的面积所示。,所作功如BC曲线下的面积所示。,2. 绝热可逆膨胀 p2V2T2p3V3T1(BC),环境对体系所作功如DC曲线下的面积所示,U3 = 0,3. 等温 (T1)可逆压缩 p3V3T1 p4V4T1 (CD),环境对体系所作的功如DA曲线下的面积所示。,4. 绝热可逆压缩 p4V4T1 p1V1T2 (DA),Q = 0,即ABCD曲线所围面积为 热机所作的功。,整个循环:U = 0, -W = Q1+ Q2,根据绝热过程方程式,相除得,T2V2-1=T1V3-1,T2V1-1=T1V4-1,此式说明: 可逆热机的效率只与两热源的温度有关。 T2 - T1 = 0,即等温循环过程中,热机效率等于零。 T1 = 0时,热机效率可达到100%。,卡诺定理: 所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机,其效率都不能超过可逆机,即可逆机的效率最大。,卡诺定理推论:所有工作于同温热
3、源与同温冷源之间的可逆机,其热机效率都相等,即与热机的工作物质无关。,第四节 卡诺定理 Carnots Law,卡诺定理的意义: (1)解决了化学反应的方向问题; (2)原则上解决了热机效率的极限值问题,引入了一个不等号, i r 。,式中 不等号用于不可逆热机 等号用于可逆热机,第五节 熵 Entropy,热力学第二定律数学表达式,熵的导出,熵增原理,熵的导出,即卡诺循环中,热效应与温度商值的加和等于零。,对于卡诺循环,称为热温商。,证明如下:,任意可逆循环热温商的加和等于零,即,同理,对MN过程作相同处理,使MXOYN折线所经过程作的功与MN过程相同。VWYX就构成了一个卡诺循环。,(2)通过P,Q点分别作RS和TU两条可逆绝热膨胀线;,(1)在如图所示的任意可逆循环的曲线上取很靠近的PQ过程;,(3)在P,Q之间通过O点作等温可逆膨胀线VW,使两个三角形PVO和OWQ的面积相等;,这样使PQ过程与PVOWQ过程所作的功相同。,或,用相同的方法把任意可逆循环分成许多首尾连接的小卡诺循环,前一个循环的等温可逆膨胀线就是下一个循环的绝热可逆压缩线,如图所示的虚线部分,这样两个过程的功恰
4、好抵消。,从而使众多小卡诺循环的总效应与任意可逆循环的封闭曲线相当,所以任意可逆循环的热温商的加和等于零,或它的环程积分等于零。,用一闭合曲线代表任意可逆循环。,在曲线上任意取A,B两点,把循环分成AB和BA两个可逆过程。,根据任意可逆循环热温商的公式:,可分成两项的加和,说明任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态,而与可逆途径无关,这个热温商具有状态函数的性质。,移项得,任意可逆过程,熵的定义,对微小变化,这几个熵变的计算式习惯上称为熵的定义式,即熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量。,Clausius根据可逆过程的热温商值决定于始终态而与可逆过程无关这一事实定义了“熵”(entropy)这个函数,用符号“S”表示,单位为:,或,设始、终态A,B的熵分别为SA和SB,则,热力学第二定律的数学表达式,设温度相同的两个高、低温热源间有一个可逆机和一个不可逆机。,根据卡诺定理:,推广为与多个热源接触的任意不可逆过程得:,或,设有一个循环, 为不可逆过程, 为可逆过程,整个循环为不可逆循环。,则有,如AB为可逆过程,这些都称为 Clausius 不等式,也可作为热力学第二定律的数学表达式。
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