热工学基础4.2热力学第二定律的实质及表述
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。
工程热力学：第四章 热力学第二定律
4-5 热二律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换
传热
1851年 开尔文－普朗克表述
热功转换的角度
1850年 克劳修斯表述
热量传递的角度
开尔文－普朗克表述
不可能从单一热源取热，并使之完 全转变为有用功而不产生其它影响。
理想气体 T 过程 q = w
卡诺逆循环卡诺制冷循环
T
T0
制冷
T2 s1 s2 s
C
q2 w
q2 q1 q2
T2 (s2 s1)
T2
T0 (s2 s1) T2 (s2 s1) T0 T2
T0 c T2 c
1 T0 1 T2
T0 q1
Rc w q2
T2
卡诺逆循环卡诺制热循环
T
T1
制热
T0 s1 s2 s
' q1 q1
T1 热源
Q1
Q1’
A WA B
Q2’
冷源 T2 <T1
证明2、违反克表述导致违反开表述
反证法：假定违反克表述
Q2热量无偿从冷源送到热源
假定热机A从热源吸热Q1
T1 热源
对外作功WA 对冷源放热Q2
Q1
Q2
WA = Q1 - Q2 冷源无变化
A WA
从热源吸收Q1-Q2全变成功WA Q2
Q2
违反开表述
w q1 q2
T1(s2 s1)
T1
T1(s2 s1) T0 (s2 s1) T1 T0
T1 ’ T0 ’
1
1 T0 T1
T1 q1
Rc w q2
T0
《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。
《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界的奥秘时，热力学定律无疑是至关重要的基石。
其中，热力学第二定律更是具有深刻的内涵和广泛的应用。
接下来，让我们一同深入了解这一定律。
热力学第二定律有多种表述方式，其中最为常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述指出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
想象一下，在寒冷的冬天，如果没有外界的干预，房间里的冷空气不会自动地将热量传递给室外更冷的空气，从而使房间变暖。
这是因为热量的传递具有方向性，总是从高温处流向低温处。
开尔文表述则说：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。
通俗地讲，就是不存在一种热机，它能够在只从一个热源吸收热量的情况下，持续不断地做功并且不产生任何其他变化。
为什么热力学第二定律如此重要呢？它实际上揭示了自然界中能量转化的方向性和不可逆性。
在实际生活中，我们能看到很多与热力学第二定律相关的现象。
比如，汽车发动机在工作时，燃料燃烧产生的能量并不能完全转化为推动汽车前进的有用功，而是有很大一部分以热能的形式散失到环境中。
这是因为要将热能完全转化为机械能是违反热力学第二定律的。
再比如，当我们把一杯热水放在桌子上，它会逐渐冷却，最终与周围环境达到相同的温度。
但相反的过程，即这杯已经冷却的水自动重新变热，而周围环境不变，是不会发生的。
热力学第二定律还对宇宙的演化有着深远的影响。
根据这一定律，宇宙中的熵（用来描述系统的混乱程度）总是趋向于增加。
这意味着宇宙从有序走向无序是一个不可逆转的过程。
从微观角度来看，热力学第二定律也有其解释。
在微观世界中，分子的运动是无序的。
当发生能量交换或物质转化时，无序度往往会增加。
然而，需要注意的是，热力学第二定律并不意味着我们在能量利用方面毫无办法。
虽然无法违背这一定律，但我们可以通过改进技术和优化系统，来提高能量的利用效率，减少熵的增加。
例如，现代的热机技术在不断发展，通过采用更先进的材料和设计，能够使热机的效率有所提高。
热力学第二定律定义
热力学第二定律定义热力学第二定律是描述自然界中热能传递方向的定律。
它提供了对系统的不可逆性的定量描述。
现在我将用易于理解的术语来解释热力学第二定律。
1. 热力学第二定律的定义是：热量不会自发地从低温物体传递到高温物体，而是自发地从高温物体传递到低温物体，直到两者达到热平衡。
这意味着热量会自然地由高温区域流向低温区域，而不会相反。
这个定律是基于观察到的自然现象，例如我们观察到热咖啡冷却而不是变热。
2. 这个定律可以通过熵的概念来解释。
熵是描述系统无序程度的物理量。
根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵总是趋向于增加。
这意味着能量会自发地从高熵（无序）的状态转移到低熵（有序）的状态，使得整个系统的熵增加。
3. 熵的增加可以通过一个有用的概念来理解，即“微观状态的数量”。
一个系统的微观状态是指描述系统内每个分子的位置和速度的组合。
在一个高熵的系统中，存在更多的微观状态，因此更难预测系统的具体状态。
而在一个低熵的系统中，只有很少的微观状态可用，因此系统的状态更容易确定。
4. 热力学第二定律还可以通过热机的工作循环来解释。
热机是将热能转化为机械能的设备，如蒸汽发动机。
根据热力学第二定律，热机无法完全将热量转化为有用的机械能，总会有一部分热量以废热的形式散失到周围环境中。
这是因为废热是高温物体向低温物体传递热量的结果。
5. 熵的增加和热机效率的限制可以通过另一个概念来解释，即“能量的均衡”。
根据热力学第二定律，能量在转化过程中总是趋向于从高能量的形式转化为低能量的形式，从有序形式转化为无序形式。
这是因为能量的转化总是伴随着一定程度的能量损失，这些能量以不可利用的形式散失。
总结一下，热力学第二定律定义了热量传递的方向，即从高温物体向低温物体传递。
它可以通过熵的概念解释，熵的增加表明了系统的无序程度。
热力学第二定律还限制了热机的效率和能量转化的过程，使能量趋向于从高能量形式转化为低能量形式。
这个定律对于理解自然界中热能传递的方向和能量转化的限制非常重要。
《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。
从烧开水到汽车发动机的运转，从空调制冷到太阳能的利用，热的传递和转化始终伴随着我们。
而热力学第二定律，就是用来描述热现象中能量转化和传递的方向性规律。
想象一下，如果热能够自发地从低温物体传递到高温物体，那我们的世界将会变得多么奇妙。
冬天的时候，我们不需要取暖设备，房间里的温度会自动升高；冰箱也不再需要耗电来制冷，食物会自动保持低温。
但这样的情景在现实中从未发生，这背后隐藏着热力学第二定律的奥秘。
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，其中最为常见的是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。
举个例子，一杯热水放在室温下会逐渐冷却，热量从热水传递到了周围的环境中。
但如果没有外界的干预，比如使用冰箱或其他制冷设备，热量不会自动从周围环境返回热水，使热水重新变热。
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。
比如说，一个热机从高温热源吸收热量，然后对外做功。
但在这个过程中，它不可避免地会向低温热源排放一些热量，无法将从高温热源吸收的全部热量都转化为有用功。
这两种表述虽然形式不同，但本质上是等价的，都揭示了热现象中能量转化和传递的不可逆性。
三、热力学第二定律的微观解释从微观角度来看，热力学第二定律与系统的微观状态数有关。
在一个孤立系统中，分子的运动是无序的。
随着时间的推移，系统总是趋向于从微观状态数少的状态向微观状态数多的状态演变。
例如，将两种不同的气体放在一个容器中，它们会逐渐混合均匀。
而要使混合后的气体重新分离成原来的两种纯净气体，几乎是不可能的。
这是因为混合后的微观状态数远远大于分离状态的微观状态数。
从概率的角度来说，系统向微观状态数多的方向发展的概率要大得多，这就导致了热现象中自发过程的方向性。
四、热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有着重要的应用。
热力学第二定律的几种表述及关系
热力学第二定律的几种表述及关系热力学第二定律
热力学第二定律有几种表述方式：
克劳修斯表述：
热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体；
开尔文-普朗克表述：
不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。
熵表述：
随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。
关系：
热力学第二定律的两种表述（前2种）看上去似乎没什么关系，然而实际上他们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个。
意义：
热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
第二类永动机（不可能制成）
只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
∵第二类永动机效率为100%，虽然它不违法能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。
第二类永动机违法了热力学第二定律。
热力学第二定律的表达及其实质
第五章热力学第二定律与熵§5.1 热力学第二定律的表达及其实质一．热力学第二定律的两种表达及其效性1.自然现象的不可逆过程（建立热二定律的必要性）落叶永离，覆水难收。
欲死灰之复然，艰乎之力；愿破镜之重圆，冀也无端。
人生易老，返老还童只意幻想；生米作成熟饭，无可挽回。
大量成语表明，自然现象，历史人文，大多是不可逆的。
自然界的过程是有方向性的，沿某些方向可以自发地进行，反过来则不能，虽然两者都不违反能量守恒定律。
因此有必要在热力学第一定律之外建立另一条独立的定律，来概括自然界的这种规律，这就是热力学第二定律。
2.热力学第二定律的开尔文表达开尔文在总结如何提高热机效率的过程中发现：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其它影响。
（又等效表述为：第二类永动机是不可能实现的）说明：①这里的“单一热源”指温度处处相同且恒定不变的热源；②“其它影响”指除了“内单一热源吸收热量全部转化为功”以外的任何其它变化。
③功变热的过程是不可逆的。
3.热力学第二定律的克劳修斯表达克劳修斯在概括总结如何提高制冷机制冷系数过程中发现：“热量不可能自发地从低温物体传到高温物体”，由此发现：热传递过程也是不可逆的。
4.两种表达的等效性下面用反证法证明这两种表达的等价性。
如图5.1所示的示意图。
反正Ⅰ：若开氏表达不真，则克氏表达也不真。
如图5.1（a）所示。
反正Ⅱ：若克氏表达不真，则开氏表达也不真。
如图5.1（b）所示。
这样就证明了开氏表达与克氏表达的等价性。
二．利用四种不可逆因素判别可逆与不可逆1.四种不可逆因素：①耗散不可逆因素；②力学不可逆因素；③热力学不可逆因素；④化学不可逆因素。
2.可逆与不可逆的判别法则：只有无耗散的准静态过程才是可逆过程，而准静态过程必须同时满足力学热学化学平衡条件的过程才是准静态过程。
因此，一个过程必须同时不包括任何不可逆因素的过程才是可逆的。
而任何一个不可逆过程中必包含有四个不可逆因素中的某一个或某几个。
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（3）自由膨胀 气体自发向真空膨胀，但却不能自发压缩，空出一个 空间
（4）混合过程 两种气体可自发地混合，却不可自发地分离
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
二、热力学第二定律的表述
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
4.2 热力学第二定律的实质及表述
一、自然过程的方向性 经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。 例如：
（1）热工转化 焦耳的功转换成热的试验，重物下降，搅动量热
器中的水使水温升高，但不能让水自动冷却而产生动 力把重物举起。即重物下降能使水温升高，但水温降 低不能使重物上升
不引起其它变化。
“克氏”是从传热的角度出发，“开氏”是从功热 转换的角度出发。
由于人们分析问题的出发点不同，所以“热二”有各 种各样的说法，但无论有多少种不同的说法，它们都反映 了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有 方向性。
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克劳修斯说法： 不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它
变化。
开尔文说法： 不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而