第六章-热力学第二定律课件.ppt

第六章 热力学第二定律6.1 热力学第二定律6.2 可逆过程与不可逆过程6.3 热力学第二定律的统计意义6.4 卡诺定理6.6 应用卡诺定理的例子6.7 熵6.8 熵增加原理热力学第一定律热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互给出了各种形式的能量在相互转化转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的进行的方向方向观察与实验表明，自然界中一切观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是与热现象有关的宏观过程都是不可逆不可逆的，或者的，或者说是有方向性的说是有方向性的例如，热量可以从高温物体自动地传给低温物体，例如，热量可以从高温物体自动地传给低温物体，但是却不能从低温传到高温但是却不能从低温传到高温对这类问题的解释需要一个独立于热力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，即热力学学第一定律的新的自然规律，即热力学第二第二定定律热力学热力学第一第一定律：能量转换和守恒定律定律：能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律的过程凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生不可能发生第一类永动机不可能成功！第一类永动机不可能成功！是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？功热转换功热转换热传导热传导扩散扩散.能量转换有一定方向和限度能量转换有一定方向和限度热力学热力学第二第二定律：描述自然界能量转换的方向和限度。

定律：描述自然界能量转换的方向和限度6.1 6.1 热力学第二定律热力学第二定律 （the second law of thermodynamicsthe second law of thermodynamics）一、热力学第二定律的基本表述一、热力学第二定律的基本表述 (the Basic Statement of the Second (the Basic Statement of the Second Law of Thermodynamics)Law of Thermodynamics)1 1、热力学第二定律的开尔文表述、热力学第二定律的开尔文表述(Kelvin Statement of the Second Law)(Kelvin Statement of the Second Law)热机的效率热机的效率 但实践表明：但实践表明： 开尔文表述（开尔文表述（1851年）：年）： 不不可可能能从从单单一一热热源源吸吸热热（温温度度均均匀匀且且恒恒定定的的热热源源）使使之完全变成有用功而之完全变成有用功而不产生其它影响不产生其它影响理想热机理想热机“其它变化”是指除了“从单一热源吸热量，并把它完全用来做功”以外的变化，例如：向外放热、外界对系统作功、体积膨胀等等。

“单一热源”是指温度均匀且恒定的热源产生其他影响的例子：产生其他影响的例子： 理想气体准静态的等温膨胀，有Q=A，实现了完全的热功转换，也就是将吸入的热量全部转变为功，但该过程使系统的体积发生了变化，也就是产生了其它影响因此，这并不违反热力学第二定律第二类永动机：第二类永动机：概念：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，并将热量全部用来作功而不放出热量只从单一热源吸收热量，并将热量全部用来作功而不放出热量给低温热源，因而它的效率可以达到给低温热源，因而它的效率可以达到100%即利用从单一热源即利用从单一热源吸收热量，并把它全部用来作功，这就是吸收热量，并把它全部用来作功，这就是第二类永动机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定律，因而也是不可能造成的依热机效率依热机效率：设想：设想：说明说明 (1) 热力学第二定律开尔文表述热力学第二定律开尔文表述 的的另一叙述形式另一叙述形式: :第二类永动第二类永动 机不可能制成机不可能制成(2) 热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述实际上表明了实际上表明了: :实质：实质： 功热转换过程具有方向性功热转换过程具有方向性2 2、热力学第二定律的克劳修斯表述、热力学第二定律的克劳修斯表述( (ClausiusClausius Statement of the Second Law) Statement of the Second Law)克劳修斯表述（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。

不引起其他变化说明：说明：（1）热力学第二定律的克劳）热力学第二定律的克劳 修斯表述修斯表述 实际上表明了实际上表明了实质：热传导过程具有方向性实质：热传导过程具有方向性 我们日常使用的冰箱，它能将热量从冷冻室不断地传向温度较高的周围环境，从而达到致冷的目的但这不是自动进行的，必须以消耗电能，外界对其做功为代价，产生了其它的影响，因而并不违反热力学第二定律的克劳修斯表述2）“自动自动”的含义是除了有热量从低温物体传到的含义是除了有热量从低温物体传到高温物体之外，不会产生其它的影响高温物体之外，不会产生其它的影响经验告诉我们：经验告诉我们：1.功功可以完全转化可以完全转化热热，（更确切地说是机械能可完全转化为内能），（更确切地说是机械能可完全转化为内能），摩擦生热就是一个生动的例子摩擦生热就是一个生动的例子热力学第二定律（开尔文表述）指出：要把热力学第二定律（开尔文表述）指出：要把热热完全变为完全变为功功而不产生其而不产生其他影响是不可能的他影响是不可能的但不违反热力学第一定律但不违反热力学第一定律2.热量可以由热量可以由高温高温物体传向物体传向低温低温物体热力学第二定律（克劳修斯表述）指出：在不产生其他影响的条件下，热力学第二定律（克劳修斯表述）指出：在不产生其他影响的条件下，热量不可以自发地由低温物体向高温物体传递。

热量不可以自发地由低温物体向高温物体传递但不违反热力学第一定律但不违反热力学第一定律因此第二定律是独立于第一定律的，是一个能够反因此第二定律是独立于第一定律的，是一个能够反映映过程进行方向过程进行方向的规律适用条件适用条件：热力学第二定律只能适用于（1）由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程；（2）不适用于少量的微观体系；（3）也不能把它推广到无限的宇宙 意义：功可以完全转化成热，但热不能完全转化成功而不产生其他影响热不能自发从低温向高温传递方向性：不可逆，覆水难收6.2 6.2 热现象过程的不可逆性热现象过程的不可逆性IrreversibilityIrreversibility of thermodynamics of thermodynamics ProcessProcess 如图所示，假定开尔文表述不成立，则可以在不产生其它影响的情如图所示，假定开尔文表述不成立，则可以在不产生其它影响的情况下将从高温热源放出的热量况下将从高温热源放出的热量Q Q1 1全部转变为对外做功全部转变为对外做功A AQ Q1 1，设有一，设有一台工作在高温热源台工作在高温热源T T1 1与低温热源与低温热源T T2 2之间的卡诺致冷机，在一次循环之间的卡诺致冷机，在一次循环过程中，通过外界对其做功过程中，通过外界对其做功A A使使Q Q2 2的热量从低温热源放出，而高温的热量从低温热源放出，而高温热源吸收的热量为热源吸收的热量为Q Q1 1Q Q2 2A A，那么在一次循环结束时，把上述两个，那么在一次循环结束时，把上述两个过程综合起来的唯一效果将是从低温热源放出的热量过程综合起来的唯一效果将是从低温热源放出的热量Q Q2 2自动传给了自动传给了高温热源，而不产生其它影响，导致克劳修斯表述也不成立。

高温热源，而不产生其它影响，导致克劳修斯表述也不成立一、两种表述等效性的证明一、两种表述等效性的证明（1）如果开尔文表述不成立，则克劳修斯说法也必）如果开尔文表述不成立，则克劳修斯说法也必 不成立不成立 设有一台工作在高温热源设有一台工作在高温热源T T1 1与低温热源与低温热源T T2 2之间的卡诺热机，在一次循之间的卡诺热机，在一次循环过程中，从高温热源吸热环过程中，从高温热源吸热Q Q1 1向低温热源放热向低温热源放热Q Q2 2，同时对外做功，同时对外做功A AQ Q1 1Q Q2 2，如下图所示假定克劳修斯表述不成立，则可以将热量，如下图所示假定克劳修斯表述不成立，则可以将热量Q Q2 2自自动地从低温热源传向高温热源，而不产生其它影响那么在一次循动地从低温热源传向高温热源，而不产生其它影响那么在一次循环结束时，把上述两个过程综合起来的唯一效果将是从高温热源放环结束时，把上述两个过程综合起来的唯一效果将是从高温热源放出的热量出的热量Q Q1 1Q Q2 2全部变成了对外做功全部变成了对外做功A AQ Q1 1Q Q2 2，导致了开尔文表述的，导致了开尔文表述的不成立2）如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也必不成立）如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也必不成立 。

总之，热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等效的总之，热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等效的 二二. 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程可逆过程可逆过程 reversible : :一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到一个系统，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，它能使系统另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时消除消除了原过程对外界引起的一切影响）则原来了原过程对外界引起的一切影响）则原来的过程称为的过程称为可逆过程可逆过程. .如：如：单摆在不受空气阻力单摆在不受空气阻力和摩擦情况下的运动就是一个可逆过程和摩擦情况下的运动就是一个可逆过程 可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到因为，实际过程都是以因为，实际过程都是以有限有限的速度进行，且在其中包含的速度进行，且在其中包含摩擦摩擦，粘滞粘滞，电阻电阻等耗散因素，必然是不可逆的等耗散因素，必然是不可逆的如对于某一过程，如果物体如对于某一过程，如果物体不能不能回复到原来回复到原来状态或当物体回复到原来状态却状态或当物体回复到原来状态却无法消除原无法消除原过程对外界的影响过程对外界的影响，则原来的过程称为，则原来的过程称为不可不可逆过程逆过程. .不可逆过程不可逆过程irreversible : :强调：强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹时，逆过程在外界留下的痕迹不能不能将原来正过程的将原来正过程的痕迹痕迹完全消完全消除除。

开氏表述实质上在于说明开氏表述实质上在于说明功变热的过程功变热的过程是不可逆的是不可逆的克氏表述实质上在于说明克氏表述实质上在于说明热传导过程热传导过程是不可逆的是不可逆的由开尔文表述和克劳修斯表述的等效性表明：热传导与功变由开尔文表述和克劳修斯表述的等效性表明：热传导与功变热两类过程在其不可逆特征上是完全等效的热两类过程在其不可逆特征上是完全等效的自然界中各种不可逆过程是相互关联的，都可以作为第二定自然界中各种不可逆过程是相互关联的，都可以作为第二定律的一种表述律的一种表述热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质在于指出：在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的热力学第二定律所揭示的这一客观规律，热力学第二定律所揭示的这一客观规律，向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。