第三章-熱力學(xué)第二定律

1、第三章 熱力學(xué)第二定律,第三章 熱力學(xué)第二定律,1、闡明熱力學(xué)第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述。論證兩種表述的一致性。 2、介紹可逆過程、不可逆過程的概念。 3、介紹卡諾定理，并根據(jù)熱力學(xué)第一、二定律加以證明。 4、熱力學(xué)溫標(biāo)。 5、由克勞修斯等式引出態(tài)函數(shù)熵。介紹熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。由克勞修斯不等式推證熵增加原理。,熱力學(xué)第二定律的文字表述,引入熵以及熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示,能量之間數(shù)量的關(guān)系,熱力學(xué)第一定律,能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,所有滿足能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的過程是否都能自發(fā)進行,自發(fā)過程的方向性,自發(fā)過程：不需要任何外界作用而自動進 行的過程。,自然界自發(fā)過程都具有方向性,熱量由

2、高溫物體傳向低溫物體 摩擦生熱 水自動地由高處向低處流動 電流自動地由高電勢流向低電勢,問題：自發(fā)過程的方向由什么因素決定？,自發(fā)過程的方向性,功量,自發(fā)過程具有方向性、條件、限度,摩擦生熱,熱量,100%,熱量,發(fā)電廠,功量,40%,放熱,熱力學(xué)第一定律有兩方面的問題沒有涉及到：,其一、熱力學(xué)第一定律強調(diào)的是能量在數(shù)量上的守恒，沒有考慮到不同類型能量在作功能力上的差別。,其二、熱力學(xué)第一定律不能判斷熱力學(xué)過程的方向性。,事實表明任何熱力學(xué)過程都具有方向性可以自發(fā)進行的熱力學(xué)過程，而其反向過程則不能自發(fā)進行。,熱力學(xué)第二定律的實質(zhì),能不能找出共同的規(guī)律性? 能不能找到一個判據(jù)?,自然界過程的方

3、向性表現(xiàn)在不同的方面,熱力學(xué)第二定律,指出了不同形式能量間的互相轉(zhuǎn)化和傳遞所具有的條件性和方向性,1熱力學(xué)第二律的表述與實質(zhì),熱功轉(zhuǎn)換 傳 熱,熱二律的表述有 60-70 種,1851年 開爾文普朗克表述 熱功轉(zhuǎn)換的角度,1850年 克勞修斯表述 熱量傳遞的角度,開爾文普朗克表述,不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響。,熱機是把熱轉(zhuǎn)變成了功,但有了其它變化 (熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o了低溫?zé)嵩?.,理想氣體等溫膨脹過程是把熱全部變成了 功,但伴隨了其它變化(體積膨脹).,熱機必須循環(huán)動作，這就至少要 有兩個溫度不同的熱源。,單一熱源（T1）吸熱的循環(huán)?,但此絕熱壓縮是不能

4、實現(xiàn)的, 因為它不滿足絕熱方程：,（絕熱線比等溫線更陡）,若是從單一熱源（T1）吸熱的循環(huán)， 必由一等溫膨脹過程和一絕熱壓縮過程構(gòu)成，,但違反了熱 力學(xué)第二定律,第二類永動機：設(shè)想的從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C。,這類永動機 并不違反熱力 學(xué)第一定律,第二類永動機是不可能制造成功的,開爾文表述的另一說法是（結(jié)合熱機） : 第二類永動機( 又稱單熱源熱機,其效率 =1, 即熱量全部轉(zhuǎn)變成功)是不可能制成的.,環(huán)境是個大熱源,第二類永動機?,如果三峽水電站用降溫法發(fā)電，使水 溫降低5C，發(fā)電能力可提高11.7倍。,設(shè)水位差為180米,重力勢能轉(zhuǎn)化為電能：,mkg水降低5C放熱：,第二類永動

5、機?,單熱源熱機,水面,制冷系統(tǒng),耗功,水,發(fā)電機,蒸汽,克勞修斯表述,不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。,熱量不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。,空調(diào),制冷,代價：耗功,兩種表述的關(guān)系,開爾文普朗克 表述,完全等效!,克勞修斯表述：,違反一種表述,必違反另一種表述!,證明1、違反開爾文表述導(dǎo)致違反克勞修斯表述,Q1 = Aa + Q2,反證法：假定違反開爾文表述 熱機a從單熱源吸熱全部作功,Q1 = Aa,用熱機a帶動可逆制冷機b,取絕對值,Q1 -Q2= Aa = Q1,Q1 -Q1 = Q2,違反克勞修斯表述,Q2,Q1,Aa,Q1,證明2、違反克勞修斯表

6、述導(dǎo)致違反開爾文表述,Aa = Q1 - Q2,反證法：假定違反克勞修斯表述 Q2熱量無償從冷源送到熱源,假定熱機a從熱源吸熱Q1,冷源無變化,從熱源吸收Q1-Q2全變成功Aa,違反開爾文表述,Q2,Q2,Aa,Q1,Q2,對外作功Aa,對冷源放熱Q2,1 熱力學(xué)第二定律是大量實驗和經(jīng)驗的總結(jié).,3 熱力學(xué)第二定律可有多種說法，每一種說 法都反映了自然界過程進行的方向性 .,2 熱力學(xué)第二定律開爾文說法與克勞修斯說 法具有等效性 .,2 熱現(xiàn)象過程的不可逆性,可逆過程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中,如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài), 而不引起其他變化, 這樣的過程叫做可逆過程 .,準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦過程

7、為可逆過程,不可逆過程：在不引起其他變化的條件下，不能使逆過程重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，或者雖能重復(fù)但必然會引起其他變化，這樣的過程叫做不可逆過程.,準(zhǔn)靜態(tài)過程（無限緩慢的過程），且無摩擦力、粘滯力或其他耗散力作功，無能量耗散的過程 .,可逆過程的條件,卡諾循環(huán)是可逆循環(huán)。 可逆?zhèn)鳠岬臈l件是：系統(tǒng)和外界溫差無限小， 即等溫?zé)醾鲗?dǎo)。 在熱現(xiàn)象中，這只有在準(zhǔn)靜態(tài)和無摩擦的條 件下才有可能。無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆的。,可逆過程是一種理想的極限，只能接近，絕不 能真正達(dá)到。,經(jīng)驗和事實表明，自然界中真實存在的過程都 是按一定方向進行的，都是不可逆的。,自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的 .,

8、熱力學(xué)第二定律的實質(zhì),根據(jù)熱力學(xué)第二定律，判斷下列說法正確的是,A、熱可以從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體； B、功可以全部變?yōu)闊?，但熱不能全部變?yōu)楣Γ?C、不可逆過程就是不能向相反方向進行的過程； D、一切與熱有關(guān)的自發(fā)過程都是不可逆的。,D,“理想氣體和單一熱源接觸作等溫膨脹時，吸收的熱量全部用來對外作功”對此說法，有如下幾種評論，哪種是正確的？ (A) 不違反熱力學(xué)第一定律，但違反熱力學(xué)第二定律 (B) 不違反熱力學(xué)第二定律，但違反熱力學(xué)第一定律 (C) 不違反熱力學(xué)第一定律，也不違反熱力學(xué)第二定律 (D) 違反熱力學(xué)第一定律，也違反熱力學(xué)第二定律 ,C,有下列幾種說

9、法（1）可逆過程一定是平衡過程；（2）平衡過程一定是可逆過程；（3）不可逆過程一定是非平衡過程；（4）凡有摩擦的過程，一定是不可逆過程。其中正確的是：,A、（1）、（2）、（3） B、（2）、（3）、（4） C、（1）、（3）、（4） D、（1）、（4）,D,利用熱力學(xué)第二定律的兩種表述判別可逆、不可逆,一、自由膨脹是不可逆的,氣體自由膨脹,會自動發(fā)生,氣體自動收縮,不會自動發(fā)生,（一）由功變熱的不可逆性證明自由膨脹的不可逆,由功變熱的不可逆性證明自由膨脹的不可逆,（2）根據(jù)假設(shè)氣體可以自動壓縮而不產(chǎn)生對外影響，所以膨脹后的氣體可自動回復(fù)原狀態(tài),（1）假設(shè)自由膨脹是可逆的，使氣體與熱源接觸保持

10、溫度不變，氣體從熱源吸熱等溫膨脹，有,（3）結(jié)論：產(chǎn)生的唯一效果：自單一熱源吸熱全部用來對外作功而沒有其它影響。與功變熱是不可逆的事實和觀點相違背。所以假設(shè)不成立。,（二）由自由膨脹的不可逆證明功變熱的不可逆性,（1）假設(shè)功變熱是可逆的，熱機a從熱源T處吸收熱量Q全部轉(zhuǎn)化為有用功,（2）熱機a推動活塞壓縮氣體，同時使氣體與熱源接觸保持溫度不變，氣體向熱源放熱為,（3）結(jié)論：氣缸內(nèi)氣體可以自動收縮而不產(chǎn)生對外影響，即自由膨脹是可逆的，與自由膨脹不可逆的前提相悖，所以假設(shè)不成立。,二、擴散是不可逆的,（一）由功變熱的不可逆性證明擴散的不可逆,（1）假設(shè)擴散過程可逆,（2）如圖所示裝置。 膜：只能A分子通過； 膜：只能B分子通過,（3）膜和膜置于容器中間，讓氣體與熱源接觸并保持不變，有：,（4）由于混合氣體A、B可以自動分開而不產(chǎn)生對外影響， 膜和膜可以自動回到容器中間。,（5）結(jié)論：系統(tǒng)從單一熱源吸熱全部用來對外作功而沒有其它影響。與功變熱是不可逆的事實和觀點相違背。所以假設(shè)不成立。,課后思考：由擴散的不可逆證明功變熱的不可逆性,1.下列過程是否可逆？為什么？ （1）在恒溫下加熱使水蒸發(fā)。 （2