中国地质大学春地球化学 热力学第二定律
热力学第二定律
威廉·汤姆逊（William Thomson，Lord Kelvin，1824 ~1907），英国数学物理学家、发明家，热力学的主 要奠基人之一。1848年创立了热力学温标；1851年 提出热力学第二定律；1852年发现了焦耳－汤姆逊效 应。
普朗克（Max Planck，1858~1947），德国物理 学家，量子力学的创始人，博士论文《论热力学 的第二定律》，在1918年获得Nobel物理学奖。
热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE
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热工基础
第三节 热力学第二定律
三、 卡诺循环(Carnot Cycle)和卡诺定律
2. 概括性卡诺循环
T a
T1
回热：循环中工质内部互相传递
例如：现代火电厂，水蒸气温度T1=1000 K，环境温度T2=300 K
所：
c
1 300 1000
70%
热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE
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热工基础
第三节 热力学第二定律
三、 卡诺循环(Carnot Cycle)和卡诺定律
或：热不可能自发的、不付代价的从低温物体传至高温物体。 It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lowertemperature body to a higher-temperature body.
热力学第二定律
热力学第二定律热力学第二定律是热力学领域中的基本定律之一，它描述了自然界中的物质运动和能量转化的方向性。
本文将详细介绍热力学第二定律的概念、原理及其在热力学系统中的应用。
1. 热力学第二定律的概念热力学第二定律是指在孤立系统中，任何自发过程都会导致熵的增加，而不会导致熵的减少。
其中，孤立系统是指与外界没有物质和能量交换的系统，熵是描述系统无序程度或混乱程度的物理量。
2. 热力学第二定律的原理热力学第二定律有多种表述形式，其中最常用的是凯尔文-普朗克表述和克劳修斯表述。
2.1 凯尔文-普朗克表述凯尔文-普朗克表述认为不可能通过单一热源从热能的完全转化形式（即热量）中提取能量，并将其完全转化为功。
该表述包括两个重要概念：热机和热泵。
热机是指将热能转化为功的设备，而热泵则是将低温热源的热量转移到高温热源的设备。
2.2 克劳修斯表述克劳修斯表述认为不可能存在这样的过程：热量从低温物体自发地传递到高温物体。
这一表述可由热力学第一定律和熵的概念推导得出。
3. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在能量转化和机械工程领域具有广泛的应用。
以下将介绍几个实际应用。
3.1 热机效率根据热力学第二定律，热机的效率不可能达到100%，即不可能将一定量的热能完全转化为功。
热机的效率定义为输出功与输入热量之比，常用符号为η。
根据卡诺热机的理论，热机的最高效率与工作温度之差有关。
3.2 热力学循环过程热力学循环过程是指系统在经历一系列状态变化后，最终回到初始状态的过程。
根据热力学第二定律，热力学循环过程中所涉及的热机或热泵的效率不可能大于卡诺循环的效率。
3.3 等温膨胀过程等温膨胀过程是热力学第二定律的应用之一。
在等温膨胀过程中，系统与热源保持恒温接触，通过对外做功来改变系统的状态。
根据热力学第二定律，等温膨胀过程无法实现自发进行，必须进行外界功输入才能实现。
4. 热力学第二定律的发展和突破随着科学技术的发展，人们对热力学第二定律的认识不断深化。
热力学第二定律
热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的一个重要定律，它描述了热量的自发传递方向和能量转化的不可逆性。
本文将从理论和实际应用两个方面来阐述热力学第二定律，并探讨其在工程和自然界中的重要性。
一、理论基础热力学第二定律是基于能量守恒和熵增原理而建立的。
能量守恒表明能量在一个系统中总量不变，而熵增原理则指出孤立系统的总熵会增加，即系统的无序性会增加。
基于这些原理，热力学第二定律提出了热量只能从高温物体传递到低温物体的方向性，并且能量转化始终伴随着熵增。
二、实际应用热力学第二定律的应用广泛，涵盖了工程、生物、地球科学等多个领域。
以下分别从这些领域中选取一个具体案例来说明。
1. 工程中的应用在工程领域，热力学第二定律为能源转化和热力学循环的设计提供了重要的指导。
以汽车发动机为例，发动机的工作过程涉及能量的转化和热量的传递。
根据热力学第二定律，发动机在能量转化的过程中会产生一定的热量损失，这就需要优化发动机的设计，提高能量利用率，减少能量的浪费。
2. 生物系统中的应用在生物学中，热力学第二定律对于生物系统的运行也有着重要的影响。
例如，在生物代谢过程中，物质分解释放的热能会产生熵增，而细胞通过耗散热量来维持自身内部的有序状态。
同时，生物系统也必须遵循热力学第二定律，保持能量在生物体内的传递方向。
3. 地球科学中的应用热力学第二定律在地球科学中也有重要应用。
例如，在气候系统中，热力学第二定律影响着能量的分布和传递。
太阳辐射使得地球表面变热，而地球的辐射则会向空间中传递热量。
热力学第二定律告诉我们，地球气候系统会趋向于产生熵增，这对于理解气候变化具有重要意义。
三、重要性和应用前景热力学第二定律不仅在工程和科学研究中具有重要意义，也是我们理解自然界和宇宙演化的基石之一。
它揭示了自然界中许多现象不可逆性的本质，引导着我们对能源利用、环境保护等问题的思考。
热力学第二定律的应用前景广阔。
随着人类对能源、环境和气候变化等问题的关注不断增加，热力学第二定律相关的研究也在不断深化。
热力学的第二定律自然趋向混乱的趋势
热力学的第二定律自然趋向混乱的趋势热力学是研究能量转化和传递的物理学科，其第二定律是热力学中最重要的定律之一。
根据第二定律，自然趋向于混乱。
本文将探讨热力学的第二定律以及自然趋向混乱的趋势，以揭示其背后的物理原理。
一、热力学的第二定律简介热力学的第二定律是描述热力学过程中能量转化和传递方向性的定律。
根据第二定律，自然过程中，总是趋向于熵增，即物理体系的混乱程度增加。
简单来说，热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统内的有序性会逐渐减少，而混乱度会不断增加。
二、自然趋向混乱的物理原理为了理解热力学第二定律自然趋向混乱的趋势，我们需要了解熵的概念。
熵是用来衡量物理体系混乱程度的物理量，记作S。
熵越大，体系的混乱程度就越高。
热力学第二定律的自然趋向混乱可以通过统计力学来解释。
统计力学揭示了微观粒子在热力学系统中的运动规律。
根据统计力学，热力学系统中微观粒子的状态是不断变化的，它们与周围环境的相互作用会导致粒子的位置和速度发生变化。
在任意一个时刻，微观粒子的状态是相对有序的，但是随着时间的推移，粒子的位置和速度会经历各种变化，最终导致整个系统的混乱度增加，也就是熵的增大。
三、熵增的趋势和不可逆性过程根据热力学第二定律，自然趋向混乱的趋势不可逆。
这意味着，一个自发进行的过程，无法倒转、回到过去的状态。
熵的增加是不可逆过程的一个重要标志。
在自然界中，我们观察到很多现象都与熵的增加有关。
例如，我们可以观察到一杯热水会逐渐冷却，而不会自动变热。
这是因为热量从高温区域传递到低温区域，热量的传递会导致系统的混乱度增加，即熵的增加。
无法逆转的过程表明了混乱度的不断增加。
四、熵增和可逆过程的关系虽然熵增是一个不可逆过程，但是对于某些特殊情况下的系统，熵可以保持不变，这被称为可逆过程。
可逆过程是指在一个具体的过程中，熵的变化为零。
然而，在实际应用中，可逆过程很难实现。
五、混乱趋势的应用与影响热力学第二定律自然趋向混乱的趋势在现实生活中有广泛的应用和影响。
请简述热力学第二定律
热力学第二定律是指孤立热力学系统的熵不减少，总是增大或者不变。
它用来给出一个孤立系统的演化方向，说明一个孤立系统不可能朝低熵的状态发展，即不会变得有序。
热力学第二定律有多种表述方式，其中克劳修斯表述为热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，开尔文表述为不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。
这个定律是热力学的基本定律之一，对于任何孤立的系统，其熵值只可能增加，不可能减少。
这意味着自然界的自发过程总是朝着熵增的方向发展，即从有序到无序，从低能量状态到高能量状态。
此外，热力学第二定律也涉及到能量的转换和利用。
根据这个定律，能量从一种形式转化为另一种形式时，总会有一定的损失。
例如，在蒸汽机中，热能转化为机械能时，总会有一些热量散失到环境中，无法被回收利用。
因此，这个定律也说明了能量利用的限制和效率问题。
最后，热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它描述了孤立系统的熵增和能量的转换与利用等问题，对于我们理解自然界的自发过程和能量利用的限制具有重要的意义。
热力学第二定律
热力学第二定律热力学第二定律（second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，其表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。
又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。
1824年，法国工程师萨迪·卡诺提出了卡诺定理。
德国人克劳修斯（Rudolph Clausius）和英国人开尔文（Lord Kelvin）在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，即热力学第二定律。
他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。
这两种表述在理念上是等价的。
违背热力学第二定律的永动机称为第二类永动机。
微克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。
英国物理学家开尔文（原名汤姆逊）在研究卡诺和焦耳的工作时，发现了某种不和谐：按照能量守恒定律，热和功应该是等价的，可是按照卡诺的理论，热和功并不是完全相同的，因为功可以完全变成热而不需要任何条件，而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散。
他在1849年的一篇论文中说：“热的理论需要进行认真改革，必须寻找新的实验事实。
”同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题，他敏锐地看到不和谐存在于卡诺理论的内部。
他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的，而热的量（即热质）不发生变化则是不对的。
克劳修斯在1850年发表的论文中提出，在热的理论中，除了能量守恒定律以外，还必须补充另外一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。
”这条定律后来被称作热力学第二定律。
开尔文表述不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。
这是从能量消耗的角度说的。
开尔文表述还可以表述成：第二类永动机不可能实现[4] 。
热力学第二定律
热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的重要定律之一，它描述了热量在自然界中的传递方向。
热力学第二定律对于理解能量转化和宇宙演化具有重要意义。
在本文中，我们将探讨热力学第二定律的基本原理和应用。
1. 热力学第二定律的基本原理热力学第二定律可以从不同角度进行表述，但最为常见的是开尔文-普朗克表述和卡诺定理。
1.1 开尔文-普朗克表述开尔文-普朗克表述中，热力学第二定律可以简要地概括为“热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
”这意味着热量的传递是不可逆的，自然趋向于热量从高温物体传递到低温物体。
1.2 卡诺定理卡诺定理是另一种常见的表述方式，它描述了理想热机的最高效率。
根据卡诺定理，任何一台工作在两个温度之间的热机的效率都不会超过理论上的最高效率，这个最高效率由热源温度和冷源温度决定。
2. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有重要的应用，下面我们将介绍几个常见的应用领域。
2.1 工程领域在工程领域中，热力学第二定律被广泛运用于热能转化系统的设计和优化。
例如，在汽车发动机中，通过合理设计燃烧过程、热能回收和废热利用等手段，可以提高发动机的效率，减少能量的浪费。
2.2 环境科学热力学第二定律的应用也涉及到环境科学领域。
例如，根据热力学第二定律的原理，热力学模型可以用于预测和评估环境中的能量传递和转化过程。
这有助于我们更好地理解和管理环境资源。
2.3 生命科学热力学第二定律在生命科学中也有广泛的应用。
生物体内的能量转化和代谢过程都受到热力学定律的限制。
通过热力学模型的建立和分析，可以深入研究生物体内能量转化的机理与调控。
3. 热力学第二定律的发展与挑战热力学第二定律的发展经历了许多里程碑，但仍然存在一些挑战和未解之谜。
3.1 热力学第二定律与时间箭头热力学第二定律与时间箭头之间的关系是一个待解之谜。
根据热力学第二定律，熵在一个封闭系统中总是增加的，即系统总是趋向于混乱状态。
然而，宇宙的演化似乎表明时间具有一个明确的方向，即宇宙从低熵状态（有序状态）向高熵状态（混乱状态）演化。
热力学第二定律具体内容
热力学第二定律具体内容：热力学第二定律是热力学定律之一,是指热永远都只能由热处转到冷处.热力学第二定律是描述热量的传递方向的分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能.此定律的一种常用的表达方式是,每一个自发的物理或化学过程总是向著熵（entropy）增高的方向发展.熵是一种不能转化为功的热能.熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度.高、低温度各自集中时,熵值很低；温度均匀扩散时,熵值增高.物体有秩序时,熵值低；物体无序时,熵值便增高.现在整个宇宙正在由有序趋于无序,由有规则趋于无规则,宇宙间熵的总量在增加.克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化.开尔文表述不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不产生其他影响.开尔文表述还可以表述成：第二类永动机不可能造成.若要简捷热能不能完全转化为机械能,只能从高温物体传到低温物体。
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2.玻尔兹曼熵: 自然过程是向热力学概率增大的方向进行。
引入态函数熵 Skln 玻尔兹曼熵
熵的微观意义是系统内分子热运动无序性的量
度
熵具有可加性
S S1 S2
Skln kln 1 2kln 1kln 2
在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增
大的方向进行，平衡态对应于熵最大的状态，即熵
增加原理。
使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复
但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆
过程.
非准静态过程为 不可逆过程 .
3.可逆过程的条件:
准静态过程（无限缓慢的过程），且无 摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散 的过程一切. 与热现象有关的精品实课际件 过程都是不可逆的。
例1：克劳修斯表述指出了热传导过程的不可逆性。 例2：开尔文表述指出了热功转换过程的不可逆性。
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。 在热现象中无摩擦的准静态过程才是可逆的
精品课件
六、卡诺定理
a） 在相同高温热源和低温热源之间工作的任
意工作物质的可逆机都具有相同的效 率 . b） 工作在相同的高温热源和低温热源之间的
一切不可逆机的效率都不可能大于
可逆机
的效率 . 以卡诺机为例，有
1
Q2 Q1
1 Q2 1 T1
Q1
T2
“”对应可逆卡诺机 “”对应不可逆卡诺机
Q1 Q2 0 T1 T2
Q1、Q2为正
采用第一定律对热量正 负的规定
精品课件
Q1 Q2 0 T1 T2
Q —热温比（热温商） T
在卡诺循环中，系统热温比的综合总是小于或等
精S品课件0
二.热力学第二定律的统计表述(或微观意义)
:孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态
数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡。
（或：孤立系统内部所发生的过程总是从热力学几 率小的状态向热力学几率大的状态过渡。）
(或:孤立系统内部所发生的过程总是向着 混乱度大的方向进行)
精品课件
三、热力学第二定律的微观意义 系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的
精品课件
p A
T1 T2
T1 B
W
D
T2
C
o
V
高温热源 T 1 Q1 W
卡诺热机
Q2
低温热源 T 2
卡诺循环是循环过程，但需两个热 源，且使外界发生变化.
精品课件
如:理想气体等温膨胀并不违背开尔文表述.
在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为 功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体 的体积增大了。
变化
功变热过程、 热传递过程、 气体自由膨胀过程
大量分子从无序程度较小（或有序）的运动 状态向无序程度大（或无序）的运动状态转化
微观意义: 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。
精品课件
§6-8 熵增加原理
一.克劳修斯等式与不等式:
能分别描述可逆循环和不可逆循环特征的表 达式。
卡
1
T2 T1
卡
Q1Q2 T1T2
Q1
T精1品课件
( 不可逆机 ) （可逆机）
§7-10 热力学第二定律的统计意义
一.宏观态的热力学概率()
1.热力学概率:
A
B
不可逆过程的初态和终态存在怎样的差别
?
精品课件
微观状态
左
右
宏观状态 一种宏观状态所对应 的微观状态数
ab
左2 右0
1
a
b 左1 右1
2
b
a
ab
左0 右2
高温
虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至
物体，但需外界作功且使环境发生变化 . 精品课件
注意
a) 的总结.
b) 修斯说
热力学第二定律是大量实验和经验 热力学第二定律开尔文说法与克劳
c) 每一种说
法具有等效性 . 热力学第二定律可有多种说法，
向性 .
法都反映了自然界过程进行的方
精品课件
三. 两种表述等价性的证明
• 若有N个分子，则共 2N 种可能方式，而N 个分子全部退回到左部的几率1/2N
精品课件
1mol气体的分子自由膨胀后，所有分子退 回到A室的几率为
1/ 26.0231023
意味着此事件观察不到。
实际过程是由概率小的宏观态向概率大的宏观 态进行。
热力学概率:
宏观态所对应的微观态数，用 表示。
精品课件
例3：气体的自由膨胀是不可逆过程。
a
b
Q
各种不可逆过程都是相
A 互关联的
c
精品课件
五、 热力学第二定律的实质
自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都
是不可逆的 .
完全
➢ 热功转换
功
热
不完全
有序 自发
无序
➢ 热传导
高温物体 自发传热 低温物体 非自发传热
非均匀、非平衡
自发
精品课件
均匀、平衡
热力学第二定律的实质：
右2
6
bc
da
bd
ac
cd
ab
精品课件
微观状态
左
右
宏观状态 一种宏观状态所对 应的微观状态数
a bcd
b cda
4
c dab
左1 右3
d abc
无 abcd
左0 右4
1
#共有24 种布
#若有N个分子，则有2N种分布
精品课件
• 4个分子全部退回到左部的可能性即几率 为1/24=1/16。可认为4个分子的自由膨胀是 “ 可逆的”。
2. 克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物
体传到高温物体。
如冰箱制冷就是将热量从低温物体传到高温 物体，但并不违背克劳修斯表述,
因为它以外界作功为代价，也就是引起了其它变 化。
精品课件
p A Q 1 T1 T2
T1 B
W
D
Q 2 T2
C
V
o
高温热源 T 1 Q1
卡诺致冷机 W
Q2
低温热源 T 2
精品课件
精品课件
四. 可逆过程和不可逆过程
1.可逆过程 ：假设所考虑的系统由一个状态a
出发经过某一过程达到另一状态b，如果存在另一 个逆过程，它能使系统和外界完全复原，则这样的 过程称为可逆过程。
正过程
a
b
逆过程
A. 系统复原 B. 外界复原
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2. 不可逆过程:
3.
在不引起其他变化的条件下，不能
1
•任一宏观状态所对应的微观状态数称为该宏观 状态的热力学概率()
精品课件
微观状态
左
右
宏观状态 一种宏观状态所对应 的微观状态数
a b c d 无 左4 右0
1
ab c
d
bcd
a
cda
b 左3
右1
4
da b
c
精品课件
微观状态
左
右
宏观状态 一种宏观状态所对 应的微观状态数
ab
cd
ac
bd
ad
b c 左2
第三讲 热力学第二定律
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§6-7 热力学第二定律
一. 第二类永动机（从单一热源吸热并全部变为功 的热机）的设想
二. 热力学第二定律的两种表述
•自然界自发进行的过程具有方向性,总是由非平衡态 走向平衡态.
1.动作
的热机,只从单一热源吸取热量，使之完全变成有用 的功而不产生其他影响。