第05章 热力学第二定律
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》 讲义
《热力学第二定律》讲义在我们探索自然世界的奥秘时，热力学定律是不可或缺的重要基石。
而其中的热力学第二定律，更是具有深远的意义和广泛的应用。
让我们先来理解一下什么是热力学第二定律。
简单地说，热力学第二定律指出，热量不能自发地从低温物体传向高温物体，而不引起其他变化。
这就好比水总是从高处往低处流，如果要让水从低处往高处流，就必须要施加外力，消耗其他形式的能量。
从宏观角度来看，热力学第二定律表明，在任何自发的过程中，系统的熵总是增加的。
熵这个概念可能有点抽象，我们可以把它理解为系统的混乱程度。
一个封闭系统，如果没有外界的干预，它会自然而然地朝着更加混乱的方向发展。
比如说，一间整洁的房间，如果没有人去整理，它会逐渐变得杂乱无章，东西到处乱放，这就是熵增加的表现。
再比如，一堆燃烧的木材，燃烧的过程中，能量从高温的木材传递到周围的环境中，这个过程是不可逆的，而且系统的熵在增加。
那么，为什么热力学第二定律如此重要呢？首先，它对于理解能源的利用和转化具有关键意义。
在实际的能源利用过程中，比如发电、驱动汽车等，我们都无法实现能量的完全转化和利用。
总会有一部分能量以废热的形式散失掉，导致能源的效率无法达到 100%。
这就是热力学第二定律所限制的。
其次，热力学第二定律对于生命现象的理解也有启示。
生命是一个高度有序的系统，似乎与熵增加的趋势相违背。
但实际上，生命通过不断地从环境中摄取能量和物质，来维持自身的低熵状态。
但这个过程是以环境的熵增加为代价的。
在工业生产中，热力学第二定律也起着重要的指导作用。
例如，在设计热机、制冷设备等时，工程师们必须充分考虑热力学第二定律的限制，以提高设备的性能和效率。
为了更深入地理解热力学第二定律，我们来看几个具体的例子。
想象一下一个热的物体和一个冷的物体接触。
根据热力学第二定律，热量会自动从热的物体传递到冷的物体，直到两者的温度相等。
这个过程是不可逆的，也就是说，热量不会自动地从冷的物体返回热的物体，而不产生其他的变化。
第五章 热力学第一定律、第二定律
Q=A
V2 p1 = p1V1 ln = p 2V 2 ln V1 p2
吸热全部用于对外做功
3） 摩尔热容 ）
由
Q = A:
M
V2 CT ∆T = RT ln µ µ V1
M
∆T = 0
4. 绝热过程
CT = ∞
绝热材料 如气体自由膨胀） 快速进行 （如气体自由膨胀）
特点： dQ=0 特点：
1） 过程方程 ） 热力学第一定律 条件
驰豫时间 < 10 −4 s
3. 相平面
相图 相空间
相平面、 以状态参量为坐标变量 —— 相平面、 平衡态——对应相图中的点 对应相图中的点 平衡态 平衡过程——对应相图中的线 对应相图中的线 平衡过程 例： 等温、等压、 等温、等压、等体过程的相图
三、系统内能 热力学主要研究系统能量转换规律 1.系统内能 E 系统内能 广义： 广义： 系统内所有粒子各种能量总和 平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能... 平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能 不包括系统整体机械能 狭义： 狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能 例：实际气体 理想气体
dQ=dE+pdV
M i dQ = RdT + pdV µ 2
2. 物理意义： 物理意义： 涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。 涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。 3.又一表述： 3.又一表述： 又一表述 第一类永动机是不可能制成的 第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态， 第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态， 不消耗内能，不从外界吸热， 不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功 即：
v r dA = F ⋅ dl = psdl = pdV
第五章(热力学第二定律和第三定律)
理学院 物理系 陈强
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判断下列说法中哪一种是不正确的 （1）可逆过程一定是准静过程；
（2）准静过程一定是可逆过程；
（3）不可逆过程一定找不到另一个过 程使系统和外界完全复原； （4）非准静过程一定是不可逆过程。
14 结束选择
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请在放映状态下点击你认为是对的答案
刹车摩擦生热。
烘烤车轮，车不开。
热
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第五章 热力学第二定律和第三定律
(3) 热传导不可逆 热量不能自动从低温高温
(4) 扩散不可逆 自由膨胀，不可自动收缩
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第五章 热力学第二定律和第三定律
• 功向热转化的过程
是不可逆的。
• 一切自发过程都是
单方向进行的不可 逆过程。
烧后放出的热量
热源
单热源热机(第二类永动机)是不可能的。
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第五章 热力学第二定律和第三定律
一. 自然过程的方向性
1. 功热转换(机械能热能)
孤立系统中发生功热转换时, 机械能可以全部转 变为热能, 但反方向的过程不会发生.
例如:
v0
v=0
功热
热 功的转换过程必伴随有其它变化： • 热机：总有部分热量从高温低温热源 • 等温膨胀：热全部转换为功, 但同时体积变大.
熵增加原理 §5-4. 熵及热力学第二定律的统计意义 §5-5. 热力学第二定律的应用举例 §5-6. 自由能与吉布斯函数 §5-7. 热力学第三定律
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第五章 热力学第二定律和第三定律
§5-1. 可逆与不可逆过程
第五章热力学第二定律2012
3、系统熵变只取决于始态和末态
4、熵值具有可加性
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注意
若变化路径是不可逆，上式不能成立； 熵是态函数，若把某一初态定为参考态，则：
dQ S S0 T
上式只能计算熵的变化，它无法说明熵的微观意义， 这也是热力学的局限性； 熵的概念比较抽象，但它具有更普遍意义。
dQ T
2 1 ( c2 )
dQ T
b
此式表明，对于一个可逆过程 a 系统的始末状态，而与过程无关。
dQ T
只决定于
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引入新的态函数—克劳修斯熵，用S表示
dQ可 逆 S B S A dS A A T
B B
单位：J.K-1
dQ可 逆 微小过程 dS T
说明 1、熵是热力学系统的态函数
球内气体的温度变了 例：在P=1.0atm，T=273.15K条件下，冰的融解热为 h=334(kJ.kg-1)，试求:1kg冰融成水的熵变。 解：设想系统与273.15K的恒温热源相接触而进行
等温可逆吸热过程
S 2 S1
2
1
dQ Q Mh 1 334 1.22( kJ K 1 ) 273.15 T T T 53
S热源
Q T
S工质 0
S S热源 S工质
Q 0 T
不符合熵增原理，所以原假设不成立。 即不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功 而不产生其它影响。
例：一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水中浸泡， 它重新鼓起来，是否是一个“从单一热源吸热的系统 对外做功的过程”，这违反热力学第二定律吗？
1
§5.1 第二定律的表述及其实质
引言
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。
热力学第二定律 课件
4．第二类永动机 (1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功 而不引起其他变化的热机。 (2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永
动机不违反能量守恒定律 ，但大量的事实证明，在任何
情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把 吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量 传给低温热库。
(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一 系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物 质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据 报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除 了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高 温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法 都不可能加以消除。
3．机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运 动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递 出去的 热量 后，在地面上重新运动起来。
4．气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨 胀，但绝不可能出现气体 自发地 从容器中流出，容器变为真空。
5．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 6．热力学第二定律：反映宏观自然过程的 方向性 的定律。
热力学第二定律与热力学第一定律比较
1．两个定律比较：①热力学第一定律是能量守恒定律 在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量 保持不变。②热力学第二定律是指在有限的时间和空间内， 一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性。
2．两类永动机的比较
第一类永动机
第二类永动机
不消耗任何能量，可 将内能全部转化为机械能， 设计 以不断做功(或只给予 而不引起其他变化(或只有 要求 很小的能量启动后， 一个热源，实现内能与机
物理学教学ppt§5-5热力学第二定律
系统经某过程由一初态到达末态后，如不可能 使系统和外界都完全复原，则此过程称不可逆过 程。
二、自然过程的不可逆性 1.功热转换是不可逆过程
重物自动下落，叶片转动使水温升高，功全部 转化成热。
·
· 水自动冷却使叶片旋
水
叶片 转，从而提升重物，
则不可能自然进行。
重物 绝热壁
重物 热自动地转换为功 的过程不可能发生.
§5-5 热力学第二定律
由热力学第一定律知道： 一切热力学过程都应该满足能量守恒。 但是满足能量守恒的过程都能进行吗?
这是热力学第二定律要表达的内容。
热力学第二定律告诉我们，过程的进行还有 方向性的问题，满足能量守恒的过程不一定都能 进行。
一、可逆过程和不可逆过程 1.可逆过程
系统由一初态出发，经某过程到达一末态后， 如果能使系统回到初态而不在外界留下任何变化 (即系统和外界都恢复了原状)，则此过程叫做可 逆过程.
2.热传导是不可逆过程 热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但
相反的过程却不能发生。 热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。
3.气体绝热自由膨胀是不可逆过程
真空
在绝热容器中抽去隔板，分子将自动膨胀充满整 个容器，最后达到平衡态。
自然过程是有摩擦损耗的非准静态过程，是不可逆 过程。
只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。
宏观态 微观态
热力学概率
1 1
4 4
6
实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即 系统最后所达到的平衡态。
平衡态 相应于一定宏观条件下 最大的状态。
结论
Ω平 Ωmax
1）平衡态对应与热力学概率最大的宏观状态。 2）如果初始时系统处于热力学概率不是最大的宏 观状态，则系统处于非平衡态，系统将向平衡态 过渡，最后达到平衡态。此时系统的热力学概率 最大。
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第五章 热力学第二定律
1.基本概念
热力学第二定律：
开尔文说法：只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。
克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。
第二类永动机：从单一热源取得热量，并使之完全转变为机械能而不引起其他变化的循环发动机，称为第二类永动机。
孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。
孤立系统熵增原理：任何实际过程都是不可逆过程，只能沿着使孤立系统熵增加的方向进行。
定熵过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程，称为定熵过程。
热机循环：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为机械能，则此循环称为热机循环。
制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境温度，并维持这个低温称为制冷。
制冷机：从低温冷藏室吸取热量排向大气所用的机械称为制冷机。
热泵：将从低温热源吸取的热量传送至高温暖室所用的机械装置称为热泵。
理想热机：热机内发生的一切热力过程都是可逆过程，则该热机称为理想热机。
卡诺循环：在两个恒温热源间，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的循环，称为卡诺循环。
卡诺定理：
1．所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切可逆循环，其热效率都相等，与采用哪种工质无关。
2．在同温热源与同温冷源之间的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。
自由膨胀：气体向没有阻力空间的膨胀过程，称为自由膨胀过程。
2.常用公式
熵的定义式：
⎰=∆21
T q
s δ J/kg K
工质熵变计算：
12s s s -=∆，⎰=0ds
工质熵变是指工质从某一平衡状态变化到另一平衡状态熵的差值。
因为熵是状态参数，两状态间的熵差对于任何过程，可逆还是不可逆都相等。
1．1212ln ln
v v R T T c s v +=∆
理想气体、已知初、终态T 、v 值求ΔS 。
2．1
212ln ln P P R T T c s P -=∆ 理想气体已知初、终态T 、P 值求ΔS 。
3．1
212ln ln P P c v v c s v P +=∆ 理想气体、已知初、终态P 、v 值求ΔS 。
4．固体及液体的熵变计算： 1
2ln ,T T mc s T mcdT ds =∆= 5．热源熵变： T
Q s =∆ 克劳修斯不等式：0≤⎰
r T Q δ 任何循环的克劳修斯积分永远小于零，可逆过程时等于零。
闭口系统熵方程：∑=∆=∆∆+∆=∆n
i i iso sur sys iso s s s s s 1或
式中：ΔS sys ——系统熵变；
ΔS sur ——环境熵变； ΔS I ——某子系统熵变。
开口系统熵方程：
1122s m s m s s s sur sys iso -+∆+∆=∆
式中：m 2s 2——工质流出系统的熵；
m 1s 1——工质流入系统的熵。
不可逆作功能力损失：
I S O S T W ∆=∆0
式中：T 0——环境温度；
ΔS ISO ——孤立系统熵增。
3.重要图表。