热力学第二定理讲解
《热力学第二定律》 讲义
《热力学第二定律》讲义一、热力学第二定律的引入在我们生活的这个世界中，热现象无处不在。
从烧开水时的水汽蒸腾，到冬天取暖时的热量传递，热的变化和流动贯穿于我们的日常生活。
而热力学第二定律，则是用来描述热现象中能量转换和传递的重要规律。
想象一下，一个热的物体和一个冷的物体相互接触，热量会自发地从热的物体流向冷的物体，直到它们的温度相等。
但是，你有没有想过，为什么热量不会自发地从冷的物体流向热的物体呢？这就是热力学第二定律所要探讨的核心问题之一。
二、热力学第二定律的表述热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的有克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递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。
为了更好地理解这两种表述，我们来举几个例子。
假如在一个封闭的房间里，有一台没有外接电源的冰箱。
如果热量能够自发地从冰箱内部的低温区传递到外部的高温环境，那么冰箱内部就会越来越冷，而房间却不会因为接收了这些热量而有任何其他变化。
但在现实中，这是不可能发生的。
再比如，有一个热机，它从高温热源吸收了一定的热量，并将其中一部分转化为有用功。
如果能够从单一热源吸收热量并完全转化为有用功，而不向低温热源排放任何热量，那么这样的热机就是“永动机”，但根据热力学第二定律，这种情况是不可能实现的。
三、热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质是揭示了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。
什么是不可逆过程呢？比如说，一滴墨水滴入一杯清水中，墨水会逐渐扩散，最终使整杯水都变得有颜色。
但是，我们不可能让这杯已经混合均匀的水自动地恢复到墨水和清水分离的状态。
再比如，一块光滑的冰块在常温下会逐渐融化成水，而这些水不会自动地再重新凝结成原来形状规则的冰块。
这些过程一旦发生，就无法自发地逆向进行，这就是不可逆过程。
而热力学第二定律正是说明了这类不可逆过程的方向性。
第三章 热力学第二定律重要公式
第三章 热力学第二定律1. 卡诺定理卡诺热机效率hc h c h 11T T Q Q Q W−=+=−=η 卡诺定理：工作于高温热源T h 与低温热源T c 之间的热机，可逆热机效率最大。
卡诺定理推论：所有工作于高温热源T h 与低温热源T c 之间的可逆热机，其热机效率都相等，与热机的工作物质无关。
卡诺循环中，热温商之和等于零0cch h =+T Q T Q 任意可逆循环热温商之和也等于零，即0R=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∑i iiT Q 或 0δR =⎟⎠⎞⎜⎝⎛∫T Q 2. 热力学第二定律的经典表述克劳休斯说法：不可能把热由低温物体传到高温物体, 而不引起其他变化。
开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全转化为功, 而不发生其他变化。
热力学第二定律的各种说法的实质：断定一切实际过程都是不可逆的。
各种经典表述法是等价的。
3. 熵的定义TQ S revδd =或∫=ΔB ArevδTQ S熵是广度性质，其单位为。
系统状态变化时，要用可逆过程的热温商来衡量熵的变化值。
1K J −⋅4. 克劳修斯不等式T QS δd irrev ≥ 或 ∫≥ΔB A ir rev δT Q S 等号表示可逆，此时环境的温度T 等于系统的温度，为可逆过程中的热量；不等号表示不可逆，此时T 为环境的温度，为不可逆过程中的热量。
Q δQ δ5. 熵增原理0)d (irrev≥绝热S 或0)(irrev≥Δ绝热S 等号表示绝热可逆过程，不等号表示绝热不可逆过程。
在绝热条件下，不可能发生熵减少的过程。
0)d (irrev≥孤立S 或0)(irrev≥Δ孤立S 等号表示可逆过程或达到平衡态，不等号表示自发不可逆过程。
可以将与系统密切相关的环境部分包括在一起，作为一个隔离系统，则有：0irrev sur sys iso ≥Δ+Δ=ΔS S S6. 熵变计算的主要公式计算熵变的基本公式： ∫∫∫−=+=δ=−=Δ2 12 12 1rev12d d d d TpV H T V p UTQ S S S 上式适用于封闭系统，一切非体积功过程。
热力学第二定律热力学不可逆性
热力学第二定律热力学不可逆性热力学第二定律：热力学不可逆性热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它揭示了自然界中一种普遍存在的现象——不可逆性。
不可逆性代表了热力学系统的一个重要性质，它使得热力学过程具有方向性，并定义了自然界中广泛存在的一类现象。
本文将对热力学第二定律的概念、原理、应用以及与不可逆性的关系进行探讨。
1. 热力学第二定律的概念热力学第二定律是描述热力学过程方向性的定律，它可以从两个不同的角度进行解释。
一种解释是基于热力学均衡态的概念，也被称为克劳修斯表述，即在孤立系统中不存在能够自发进行的热量从低温物体传递到高温物体的过程。
另一种解释是基于熵增的概念，也被称为德鲁第表述，即在孤立系统中熵的增加是自发进行的，而熵不会自发减少。
2. 热力学第二定律的原理热力学第二定律的原理主要包括卡诺定理和熵增原理。
卡诺定理是热力学第二定律的一个重要推论，它规定了在任意两个热源之间工作的最高效率的理论上限，也被称为卡诺效率。
熵增原理指出，孤立系统的熵在自然过程中不断增加，而熵增对应着系统中能量转化的不可逆性。
3. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在工程实践中有着广泛的应用，其中最为重要的应用之一是热力机械功的限制。
根据热力学第二定律，热机的工作必须排放一部分热量到冷库，因此无法将全部热量完全转化为功，存在理论上功率的上限。
另外，热力学第二定律还解释了自然界中一些重要现象，如热传导、扩散和化学反应等。
4. 热力学第二定律与不可逆性的关系热力学第二定律的实质就是不可逆性的表征。
在自然界中，热力学系统中的过程具有方向性，能量转化的过程是不可逆的。
不可逆性源于系统与外界之间的热量交换和物质传递，它导致系统中的熵不断增加，从而限制了能量转化的效率。
不可逆性是自然界中广泛存在的一类现象，与我们日常生活中的摩擦、能量损失等现象密切相关。
总结：热力学第二定律是热力学中描述热力学过程方向性和不可逆性的基本定律。
它的概念、原理和应用对于我们理解自然界中一系列现象以及工程实践具有重要意义。
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）ηη≤ηη （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：ηηηη+ηηηη=η 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ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η（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。
热力学第二定律的理解与应用
热力学第二定律的理解与应用热力学第二定律是热力学基本原理之一，它描述了热能传递的不可逆性以及自然界中的一些普遍现象。
本文将深入探讨热力学第二定律的原理、应用以及它在现实生活中的意义。
一、热力学第二定律的基本原理热力学第二定律是指在孤立系统中，热量不会自发地从低温物体传递给高温物体。
这一定律可以用来解释很多自然现象，比如热流的方向、热机效率等。
根据热力学第二定律，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能反向传递。
这是因为热量传递是以熵的增加为代价的。
熵是一个描述系统混乱程度的量，它与物质的无序程度有关。
系统的熵增加意味着物质更趋向于无序状态，而热量的传递恰恰是增加了系统的熵。
二、热力学第二定律的应用热力学第二定律在工程和科学领域有着广泛的应用。
以下是其中几个重要的应用：1. 热机效率根据热力学第二定律，热机的效率受到一定的限制。
卡诺热机是满足最高效率的热机，其效率与工作温度之差有关。
利用热力学第二定律，我们可以计算出热机的最大理论效率。
2. 熵增原理熵增原理是热力学第二定律的重要推论之一。
它表明孤立系统的熵总是增加的，从而增加了系统的混乱程度。
这一原理可以应用于许多方面，比如环境保护和能源利用等。
在能源利用方面，通过最大限度地减少系统的熵增，可以提高能量利用效率。
3. 低温物体的制冷原理制冷原理是热力学第二定律的重要应用之一。
根据热力学第二定律，热量不会自发地从低温物体传递给高温物体。
这一原理被应用于制冷技术中，通过对高温物体吸热，从而使低温物体降温，实现循环制冷。
三、热力学第二定律的意义热力学第二定律是自然界存在的一个普遍规律，它对我们的生活和科学研究具有重要意义。
首先，热力学第二定律揭示了自然界的不可逆性和混乱趋势。
它帮助我们理解为什么事物在自然界中总是朝着更加无序的状态发展。
其次，热力学第二定律对于能源利用和环境保护具有指导意义。
通过最大限度地减少系统的熵增，我们可以提高能源利用效率，减少能源浪费。
热力学第二定律 概念及公式总结
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。
3.4 热力学第二定律(解析版)
第4节热力学第二定律【知识梳理与方法突破】1.热力学第二定律的理解（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。
要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。
电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。
（2）“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。
如吸热、放热、做功等。
（3）热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。
如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。
（4）适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。
而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。
（5）热力学第二定律的两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。
2.热力学第一定律与第二定律的比较项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式联系两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础3.能量耗散的理解（1）各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。
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。
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5.（3/2）kT，（5/2）kT，5RT； 6.
100
Nf(v)dv,
100
f (v)dv（三）1. × 3. × ；
（四）
4. C 1 2v0 f（v）=
0 v v0
v0
4v0
v
v0
0
f (v)dv
4 v0
v0
f (v)dv 1
1 c 2v0
4 v0 v0
（ 2） v
0
vf (v)dv
v0
0
vf (v)dv
5 v0 vf (v)dv 3
（3） ΔN
2 v0
v0
5 Nf (v)dv N 12
问题
绝热压缩 —— 等压吸热 —— 绝热膨胀 —— 等容放热
狄塞耳（德）
（1858—1913）
狄塞耳的实验室及第一台柴油发动机
斯特林热机是 1816年被Robert Stirling开发出来的。 这种热机如今正被 改进用于汽车和太 空船。 野外使用的热成 像仪采用斯特林循环 制冷器，这种靠电机 驱动的制冷机械在开 机7～8分钟才能达到 77K。 斯特林热机的P-V图
单元12 （一）4.C ，5.A，6.B； （二）1. 气体温度，气体分子热运动剧烈程度的量度 2. P (2 3)nεk 分子数密度（n），分子平均平动动能（ εk ） 大量气体分子无规则热运动的宏观表现 （三）1. × 2. × ； （四）4. 24.7升
单元13 （一）1.C ,2.A ,4.B,6.B； （二）4.（1）分子一个自由度上的平均动能；
燃气涡轮机 =50%
一辆以中等速率在公路上匀速行驶的汽油动力汽车的能流图
在实际运转中，一个以石油为燃料的现代 蒸汽发电厂的总效率大约为40％。一个以铀为 燃料的核电厂，大约要有相当于它所发电力两 倍的能量，以废热的形式损失在其冷却水中。 而电厂下游水温升高，可能导致水中的溶氧量 减少，引起江河水中的生态变化。
不论在何种循环过程中，系统放热 是不可避免的吗
？
？
热机效率是否存在最高限
给自然界带来什么影响
？
四 、卡诺循环
1.卡诺循环理想模型的建立 A. 历史背景 （1）19世纪初，蒸汽机广泛应用，但将热能 转换成机械能的理论研究尚未形成
（2）卡诺生平：
毕业于巴黎综合技术学校 1814年军事工程师； 1828年拿破仑倒台，卡诺退役； 1824年出版« 关于火的动力思考»
B. 卡诺的思想 C. 卡诺热机的定义： 工作物质仅与高、低两个单 一恒温热源交换热量的热机
卡诺热机（水车模拟图）
2. 卡诺循环
等温膨胀
绝热膨胀
绝热压缩
等温压缩
（1）正卡诺循环 —— 卡诺热机
设工质为理想气体， 摩尔数m/M
P A D
等温线
A B 等温膨胀
Q AB m V2 RT1 ln 0 M V1
v 2v 2 0
0 v v0
2 0
2 3v0 v 6v ,4 v0 v v0
vp v0 , v (5 3)v0 , ΔN (5 / 12)N
解：（ 1）
0
f (v)dv 1
S1
f（v）
c o
c 4c v ,4 v0 v v0 3v 0 3
c v v0
4. 热机的改进 —— 工质、低温热源温度
（1） 二级膨胀式蒸汽机的发明与改进 ——增大缸体容积
（2） 空气为工质的热机 —— 高效蒸汽机。
（1885年，瑞典 埃尔克森)
（3） 燃气与空气混合物压缩打火 —— 内燃机
（1885 ~1897年）
蒸汽机 =15%
（4）实际热机的效率 汽油蒸汽机 = 40%
B T 1
C T2 绝热线 V
B C 绝热膨胀 QBC = 0 C D 等温压缩
m V4 Q CD RT2 ln 0 M V3
O V1 V4 V2 V3
D A 绝热压缩
QDA = 0
整个循环过程中的总吸热 Q1 = QAB
整个循环过程中的总放热 Q2 = |QCD|
V3 T2 ln V4 则热机效率为 1 Q 2 1 V2 Q1 T1 ln V1
科学节约了劳动，使生 活更加舒适。但却没有给我 们带来多少幸福，这到底是 为什么呢？简单的答案是我 们没有能恰当地运用它。
爱因斯坦
人类有权享有良好的环境，也 有责任为子孙后代保护和改善 环境；各国有责任确保不损害 其他国家的环境；环境政策应 当增进发展中国家的发展潜力。
例1
一定量的双原子分子理 想气体作如图所示的循环。 p0 其中，已知p0 、v0 ，试求： 循环的效率。
因为 B、C与D、A各在同一条绝热线上
1 2
T1 V
T2 V
1 3
T1 V1 1 T2 V4 1
V2 V3 V1 V4
卡诺热机的循环效率
T2 1 T1
（2）卡诺逆循环的致冷系数
热机的效率与工 质无关，仅与高、 低温热源有关
T2 e T1 T2
3. 遗憾 1832年死于霍乱；1878年能量守恒手稿发表
___恩格斯
五、热机 加热器（锅炉） 汽缸—— 对外作功 1.构成 冷凝器 压缩机 （泵）
2. 分类
内燃机：燃料的燃烧过程在汽缸内进行
外燃机：燃料的燃烧过程在汽缸外进行
奥托循环 —— 四冲程内燃机。（小汽车、摩托 车使用的汽油机循环模型）
吸气冲程 —— 压缩冲程 —— 点爆冲程 —— 排气冲程
狄塞尔循环 —— 船舶、拖拉机使用的柴油机循环模型
右图是North Anna 核电厂（美国）。其 产生电功率为900MW， 同时它又以2100MW 的功率将废热排放到 附近的河流中。这座 核电厂丢弃的能量高 于它所输出的可利用 的能量。
卡诺研究了蒸汽机，分析了它，发现 蒸汽机中的基本过程并不是以纯粹的形式 出现，而是被各种各样的次要过程掩盖住 了；于是他撇开了这些对主要过程无关重 要的次要情况而设计了一部理想的蒸汽机 (或煤气机),的确,这样一部机器就象几何 学上的线或面一样是决不可能制造出来的. 但是它按照自己的方式起了象这些数学抽 象所起的同样的作用;他表现纯粹的独立的 真正的过程.