05 热力学第二定律
解释热力学第二定律
解释热力学第二定律
热力学第二定律是热力学中的一个基本定律，也被称为熵增定律。
它提供了一个描述自然界中热现象发生方向的规律。
热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述，不可能将热量从低温物体自发地传递给高温物体，而不产生其他效果。
这个表述可以解释为，热量不会自发地从冷的物体转移到热的物体，而不产生其他变化。
例如，我们无法将热量从一个冷水杯中传递到一个热水杯中，而不使用外部能量（如加热器）。
开尔文表述，不可能通过一个循环过程将热量完全转化为功而不产生其他效果。
这个表述可以解释为，不可能通过一个循环过程将热量完全转化为有用的功而不产生其他变化。
换言之，不可能将热量全部转化为有用的能量，而不产生其他形式的能量损失。
热力学第二定律的核心思想是熵的增加。
熵是描述系统无序程度的物理量，热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵总是趋向于增加，而不会减少。
换句话说，自然界中的过程总是朝着更高熵（更大的无序）的方向发展。
总结来说，热力学第二定律告诉我们，热现象具有一种不可逆性，热量不会自发地从冷物体传递到热物体，而且热量无法完全转化为有用的功而不产生其他形式的能量损失。
这个定律对于理解自然界中的热现象和能量转化过程非常重要。
第五章 热力循环——热力学第二定律
dSsys
QR
T
由于传热δQR而引 起体系熵的变化
我们称
QR
T
为随
QR热流产生的熵流。
熵流定义：dS f δQR /T
功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。
(2) 熵产dSg
dSsys≥δQ/T
Δ等S式g>0dS，sys 不 可QT R 逆 dS过g 积程分
Ssys
Q 0
Q
T
S g
dS g ——熵产生Δ，Sg由=0于，过可程的逆不过可程逆性引起的熵变。
普：对物质没限制，适用于任一物质
5.4 水蒸气动力循环
1. 卡诺循环
T (R)
WS (R) QH
QH QL QH
1 QL QH
以水蒸气为工质的卡诺循环示意图：
2
T
1 TL TH
QH 锅
透 WS ,Tur
TH 1
2
平
炉
W S ,Pump
3
冷凝器 QL
TL
4
3
1 水泵
4
6
5S
图1 卡简诺单的循蒸环汽动各力步装骤置的能量图平2 衡T—和S图熵上平的卡衡诺式循环
过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远
不会小于零。 ΔSg<0，不可能过程
5.2 熵
2. 熵平衡式
熵流 S f (Q T )
物流入
mi si
i
in
敞开体系
S g SA
物流出
m jsj
j
out
W
敞开系统熵平衡示意图
熵平衡的一般关系式：熵流+熵入+熵产-熵出=熵积累
dSopsys dt
2020年高中物理竞赛-热学A(联赛版)05热力学第二定律：卡诺定理(共15张PPT)
C ,
1 Qj 1 Tj
Qi
Ti
Qj Tj Qi Ti
Qj Qi Tj Ti
因为 Q j ' Q j , 则上式可写为
Qi Qj 0 Ti Tj
对所有i 、j 求和，即得 n Qi 0.
T i 1 i
其中等号适用于可逆过程， 不等号适用于不可逆过程。
dQ
若 n ，则 Ti Ti1 Ti 0, Qi dQ, 于是有
于是有
dW
(1
T2 T1
)dQ1
热机工作过程中
工质在高温处吸热 dQ1 C pdT1' 在低温处放热 dQ2 C pdT2 '
能量守恒 dW dQ1 dQ2 C pdT1'C pdT2 '
积分得 W C p (T 'T1) C p (T 'T2 ) C p (T1 T2 2T ')
有一热机，其输出功驱动B与A之间的制 TA ' 100K ,TB ' TC ' 300K
冷机将热量再传输到B或A。设A物体最 后达到的温度最高，则B、C两物体应有
TA ' 900K ,TB ' TC ' 100K
T ’=T ’， 即有 TB ' TC ' TA 解得：
显然，只有第一组解合理。
S TA ' CdT TB ' CdT TC ' CdT 0
T TA
T TB
T TC
即有 ln TA ln TB ln TC 0 于是有 TA 'TB 'TC ' TATBTC
TA
TB
TC
依题意，工作方式可能是A或B与C之间 TA ' 400K ,TB ' TC ' 150K
热学第5章热力学第二定律
§5.3.4 熵增加原理(principle of entropy increase)
引入态函数熵的目的是建立热力学第二定律的数学
表达式，以便能方便地判别过程是可逆还是不可逆的。
一. 某些不可逆过程中熵变的计算 例:一容器被一隔板分隔为体积相等的两部分，左半中充
V
a
b( B)
b dQ dQ a(B) T T
故
b
a ( A)
b dQ dQ a(B) T T
若在a、b两点间再画任意可逆路径E，则必然有
b
a ( A)
b b dQ dQ dQ a ( B ) a(E ) T T T
b
a
dQ 值仅与处于相同初末态的值有关，而与路径无关 T dQ ( T )可逆 0 dQ 是一个态函数，这个态函数称为熵，以符号 S 表示 T b dQ dQ dS ( )可逆 Sb S a a可逆 T T
四. 以熵来表示热容
TdS dQ
熵是态函数,我们就可以用熵来表示 CV 及C p
dQ S CV T dT V T V
dQ S Cp T dT p T p
U H 这是 CV T Cp T 之外的另一种表达式。 T V T p
有 摩尔理想气体，右半是真空，试问将隔板抽除经 自由膨胀后，系统的熵变是多少?
解: 理想气体在自由膨胀中 Q = 0, W = 0, U = 0,故温度不变 若将 Q = 0 代入会得到自由膨胀中熵变为零的错误结论
热力学第二定律 概念及公式总结
热力学第二定律一、自发反应—不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程）一个自发反应发生之后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响,也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。
二、热力学第二定律1.热力学的两种说法：Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化Kelvin：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化2.文字表述：第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热,并将所吸收的热完全转化为功)功热【功完全转化为热，热不完全转化为功】(无条件，无痕迹，不引起环境的改变）可逆性:系统和环境同时复原3.自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程）特征:(1）自发过程单方面趋于平衡；(2）均不可逆性；(3)对环境做功,可从自发过程获得可用功三、卡诺定理(在相同高温热源和低温热源之间工作的热机）（不可逆热机的效率小于可逆热机）所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同,且与工作物质无关四、熵的概念1.在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关热温商具有状态函数的性质：周而复始数值还原从物理学概念,对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数2。
热温商:热量与温度的商3。
熵：热力学状态函数熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量（数值上相等）4. 熵的性质:(1)熵是状态函数，是体系自身的性质是系统的状态函数，是容量性质（2)熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和（3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变(4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量（5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性（6）在绝热过程中，若过程是可逆的,则系统的熵不变（7）在任何一个隔离系统中,若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大,所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。
《工程热力学》第五章 热力学第二定律
T1=973K Q1=2000kj Q2=800kj W0
T1=973K Q1=？kj
Wmin
T2=303K
Q2=800kj T2=303K
33
例题4
如图为一烟气余热回收方案，设烟气比热容CP=1.4kj/ （kg.k）， CV=1.0kj/（kg.k），求： 1）烟气流经换热器时传给热机工质的热量？ 2）热机放给大气的最小热量Q2？ T2=37+273k 3）热机输出的最大功？ P2=0.1MPa
第五章
热力学第二定律(8学时）
基本内容： 基本要求： 热力过程的方向性；热 掌握热力学第二定律的 机循环与制冷循环；热 本质及其对生产实践的 力学第二定律及其表述； 指导意义；掌握可逆过 可逆与不可逆过程；卡 程的内涵；区别可逆过 喏循环与卡喏定理；概 程与准静态过程；理解 括性卡喏循环；熵的性 卡喏循环内涵及卡喏定 质及导出；不可逆过程 理的证明；理解提高循 熵的变化；熵增原理与 环热效率的一般原则 不可逆过程作功能力的 综述 损失，最大有用功；火用 简介
4
二、制冷循环（逆向循环）
1、定义：消耗外界提供的功将热量从低温热源传递到高温热 源的循环；或将机械能转变为热能的循环 2、逆向循环的性质 3、逆向循环p-v 图，T-s 图
4、功、热交换特点
低温热源放出热量Q2 消耗机械功W0，转化为热量W0=Q0 高温热源获得热量Q1，∣Q1∣=Q2+W0
5、结论
四、火用参数
闭口系统工质火用 开口系统工质火用 火用分析
35
例题5
温度为800K,压力为5.5MPa的燃气进入燃气轮机,在燃 气轮机内绝热膨胀后流出燃气轮机.在燃气轮机出口处 测得两组数据,一组压力为1.0MPa ,温度为485K;另一组 压力为0.7MPa,温度495K,问那组参数正确?此过程是否 可逆,作功能力损失多少?并将作功能力表示在T-S图上. (燃气可视作空气, CP=1.004kj/（kg.k）， Rg=0.287kj/ （kg.k），环境T0=300K)
热力学第二定律的表述
热力学第二定律的表述热力学第二定律，也称为熵增定律，是热力学中的重要概念之一。
该定律表明，任何一个孤立系统在自发过程中，其熵总是不断增加的。
熵是一个描述系统无序程度的物理量，可理解为一个系统的混乱程度。
具体来说，热力学第二定律的表述可以从以下几个方面进行阐述：一、热力学第二定律的基本原理热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它表明孤立系统总是向着不可逆的方向进行自发变化。
熵作为描述系统无序程度的物理量，可以解释这一现象。
热力学第二定律将熵增作为孤立系统自发性质的概率形式，即熵的增加是不可逆的。
二、熵的定义及熵增过程的表述熵是一个描述系统无序程度的物理量，熵的增加意味着这一系统的混乱程度变得更大，而系统的混乱程度是不可逆的。
热力学第二定律表明，在孤立的系统中，一切自发过程中的熵增加，即系统无序程度不断增大。
这种无序程度的增加可以表述为：在过程中，能量总是从有序的状态流向有限的状态，因此越来越多的能量被转化为无用的热能。
三、热力学第二定律和环境保护的关系热力学第二定律是我们了解和约束自然界不可逆演化过程的基础。
正是热力学第二定律的存在，才有了反渗透、风能、水力发电，甚至太阳能电池等各种环境保护技术。
人类社会发展中不断寻找新的技术，不仅是为了满足能源需求，更重要的是要在这个过程中尽可能地减少环境污染。
总之，热力学第二定律能够为我们揭示自然界中不可逆的演化规律，对于人类社会发展中的环境保护及科学技术的发展，也起到了重要的指导意义。
我们应该加强对这一领域的研究，推进可持续发展进程，使得人类社会发展与环境保护取得良好的平衡。
第三章 热力学第二定律5版
* g , T Sm T Tf
C p , m s dT T
0
fus H m
Tf
Tb
C p , m l dT T
Tf
vap H m
Tb
C p , m g dT T
Tb
pg g S m T
pg g m
Tb
标准摩尔反应熵的计算
根据热力学第三定律， 温度T下纯态物质 化学变化的摩尔反应熵
* B r S m B S m * B 为摩尔规定熵值 Sm B
标准摩尔反应熵
r S S B m B m
B
标准摩尔反应熵随温度的变化
r C p ,m B C p ,m B
yC p ,m Y zC p ,m Z aCp ,m A bCp ,m B
在温度T1至T2的区间内，反应物和产 物均不发生相变化， r S m T2 r S m T1
T2 T1
C
r
p ,m
/ T dT
2 2 若C a bT cT C a bT cT p ,m r p ,m
变；不可能发生熵值减小的现象。即熵增原理。
Siso S sys S amb 不可逆 0 ＝可逆 不可逆 0 ＝可逆
或者dSiso dSsys dSamb
熵增原理是判断隔离系统内部发生一过程时，该过 程可逆与否的依据，故上述表达也称熵判据。
卡诺循环热机效率只取决于热源的温度。
卡诺定理
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1、 深入理解热力学第二定律的实质，认识能量不
仅有“量”的多少，而且还有“质”的高低，即过
程进行具有方向性。 2、 掌握卡诺循环、卡诺定理的含义及指导意义。
·2 ·
热力学第一定律
能量守恒与转换定律 能量之间数量的关系
所有满足能量守恒与转换 定律的过程是否都能自发 进行?
·3 ·
§5-1 热力学第二定律的表述
·14 ·
Q2 Q2 T2 S T2 W Q1 Q2 (T1 T2 )S T1 T2
供暖系数：
W
Q1 Q1 T1S T1 ' W Q1 Q2 (T1 T2 )S T1 T2
二、卡诺定理
在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机 中，以可逆机的效率为最高。 推论： 1. 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可 逆机具有相同的热效率，且与工质性质无关。
2. 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不 可逆机，其热效率总小于在这两个热源间工作 的可逆热机的热效率。 理论意义：
提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2。 可逆循环的热效率是提高热机效率的极限。
·15 ·
卡诺循环和卡诺定理的意义：
提高热源温度T1，降低冷源温度T2是提高两恒温热源间 可逆循环热效率的根本途径与方法； 尽量减少循环中的不可逆因素是提高不可逆循环热效 率的重要方法； 热机热效率恒小于100％； T1 , T2 0 0 c 1 单一热源热机是造不成的。T1 T2 c
一、自然过程的方向性
1. 传热过程
自发过程：热量从高温传向低温。
反之不能自发进行！
·4 ·
2. 摩擦过程
重物下落，水温升高。
水温下降，重物升高？
3. 电阻的热效应 电流通过电阻，产生热效应。 对电阻加热，产生电能？
·5 ·
归纳： 1）自发过程有方向性； 2）不可逆是自发过程的重要特征与属性； 3）自发过程的反向过程并非不可进行，而是要有附加条件。
卡诺循环是工作在恒温的高、低热 源间的最简单理想可逆正循环，由两个 可逆定温和两个可逆绝热过程构成。
·12 ·
2.卡诺循环热效率
T2 Sba wnet Q2 T2 tc 1 1 1 Q1 Q1 T1 Sab T1
结论:
Q1、Q2为绝对值
正向卡诺循环热效率取决于高温热源与低温热源的温度；
0
·16 ·
【例5-1】某人声称发明一循环装置，在热源T1及冷源T2之间工 作，若T1＝1700 K，T2＝300 K，则该装置能输出净功1200 kJ 而向冷源放热600 kJ，试判断该装置在理论上是否可能？ 【解】由题意，据热力学第一定律，装置自高温热源吸热 Q1＝Q2+Wnet＝1200+600＝1800 kJ 装置热效率 ηt＝Wnet/Q1＝ 1200/1800＝66.67%
·7 ·
热力学第一定律揭示了热力过程中参与转换与传递的各种能 量在数量上是守恒的,否定了创造能量与消灭能量的可能性 。 热力学第一定律宣告第一类永动机不可能制成。
热力学第一定律未涉及能量传递与转化的方向性！
热力学第二定律是与热现象有关的各种过程进行的方向、条 件以及进行的限度的定律。 热力学第二定律指明第二类永动机不可能制成。 第二类永动机：从单一热源吸取热量，使之全部转变为功的 热机。 特点：不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律
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作业： 5-2，5-6
·20 ·
·10 ·
热一律与热二律
热一律否定第一类永动机
t >100％不可能
热二律否定第二类永动机
t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
·11 ·
§5-2 卡诺循环和卡诺定理
一、卡诺循环及其热效率
1.卡诺循环
ab bc cd d a
定温吸热 绝热膨胀
定温放热
绝热压缩
T1 T2 c
循环热效率必小于1，即在循环发动机中不可能将热全部转 变成功；
T1 , T2 0 0 c 1
高温热源温度等于低温热源温度时，循环的热效率等于零。
T1 T2 c 0
第二类永动机不可能制成
·13 ·
3. 逆向卡诺循环
制冷系数：
T1 Q1 E Q2 T2
扩展：
无限可转换能—机械能，电能
能
质
有限可转换能—热能
T T0
不可转换能—环境介质的二定律的表述
1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地、不花代价地 从低温物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造出从单一热源吸 热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力 发动机。 3.两种表述完全等效。
·18 ·
• 工作在温度分别为T1和T2的两个相同恒温热源的一 切热机，其循环热效率均相等。 • 在热力设备工作过程中，循环净功愈大，则循环热 效率愈高。 • 一台热机工作在400K与800K两个恒温热源间，该机 每从高温热源吸热100kJ，对外作功60kJ，该机是可 逆热机。 • 一台热机工作在T1=900K,T2=300K的两个恒温热源间， 热机从高温热源吸热1000kJ，向冷源放热300kJ，则 该热机是不可能实现的。
在同温限的恒温热源间工作的卡诺循环热效率 ηtc＝1-T2/T1＝1-300/1700＝82.35% 比较ηt和ηtc可知，此装置有可能实现，是一不可逆热机。 对于恒温热源的热机，可用卡诺定理进行热力过程和热
力循环是否可行、是否可逆的判断。
·17 ·
• 热力学第二定律可表述为：热量不可能从低温传向高 温。 • 热不可能全部转化为功。 • 所有可逆循环的热效率必大于不可逆循环的热效率。 • 任何可逆循环的热效率都相等。 • 从一定的初态到一定的终态，熵的变化取决于初，终 状态，而与过程的性质和途径无关。 • 自发过程是不可逆过程。 • 正向循环是将热能转变为机械能的循环。 • 逆向循环是将机械能转变为热能的循环。
·8 ·
※ 理想气体等温过程中可将自单一热源吸收的热量全部 转变为功，这是否违反开尔文-普朗克表述？
·9 ·
※ 在热的砂槽上放置一个高筒形烧杯，杯中放一层苯胺（苯 胺是一种密度略大于水，而体积膨胀系数比水大的物质，即苯 胺受热后膨胀比水大）。把适量的水注入烧杯后，稍待片刻， 就可看到苯胺从杯底上升到水面，继而从水面下沉到杯底。然 后再上升、下沉，反复不断直至砂槽温度降到环境大气温度。 这一实验现象是否违反热力学第二定律?为什么?