热力学第二定律的表述
热力学第二定律的实质与表述
热力学第二定律的实质与表述
热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，也是自然科学中最基本的规律之一。
它是指在自然界中，任何热量不可能从低温物体自发地传递到高温物体，而必须要借助于外界的能量输入才能实现。
热力学第二定律的实质是描述自然界中的热现象存在一种特殊的不可逆性。
不可逆性是指一个过程无法倒转到其初始状态。
例如，把一个冰块放在室温下，它会自然地融化，但是融化后的水无法再自发地冷却变成冰块。
这个过程就是一个不可逆过程。
热力学第二定律描述了这种不可逆性在热现象中的存在。
热力学第二定律有多种表述方式，其中比较常见的有以下几种：1.克劳修斯表述：不可能从单一热源吸热并完全将其转化为功而不
产生其他影响。
2.开尔文表述：不可能从一个热源吸热，将其全部转化为功，并使
其它热源不受影响。
3.普朗克表述：任何不可逆过程都会使系统的熵增加。
其中，克劳修斯表述更侧重于不可逆性的本质，开尔文表述更突出了热力学第二定律的应用，普朗克表述则更加直观地说明了熵的概念和变化。
总的来说，热力学第二定律揭示了自然界中的不可逆性，为热力学和能量转换领域的研究提供了基础和方向。
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。
热力学第二定律的六种表述
热力学第二定律的六种表述
热力学第二定律是指系统在物理或化学过程中，总的熵增加原则。
在简单语言中，这个定律指出，在任何关闭的系统中，有序的能量会
变为无序的能量，熵（混乱）总是增加。
以下是热力学第二定律的六种表述：
1、约瑟夫·默林定律：“内可逆变化的无序性或混乱的生成，是
所有物理和化学过程的基本特征”。
2、比尔·温斯顿定律：“总的热力学熵（混乱）总是增加的”。
3、熵定律：熵（混乱）总是增加，不可逆变化的总熵永远是正的，微量变化的总熵永远是非负的。
4、熵总量定律：“没有耗散的能量，且无限接近于热平衡状态的
改变，其熵也不可能减少”。
5、热力学无条件定律：“在有限体系中，熵必然增加；另一方面，熵的增量就是在系统内部耗散的热量的多少”。
6、泰勒定律：“对于一般的物理和化学反应，在热平衡状态下，
其可逆物理和化学变化的热力学熵的总增加量是正的”。
热力学第二定律的表述卡诺定理
解热力学第二定律提供了重要的理论支撑。
02
卡诺定理在热力学理论体系中占据着重要的地位，是
热力学理论的重要组成部分。
03
卡诺定理在能源利用、节能减排等领域具有重要的应
用价值，对于推动可持续发展具有重要意义。
05
总结与展望
卡诺定理与热力学第二定律的总结
卡诺定理
卡诺定理是热力学的基本定理之一，它指出在可逆过程中，工作量与热量之间的转换关系，即在一个封闭系统中，工 作量等于热量与温度之比。
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热力学第二定律的表述方式
克劳修斯表述
不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。
熵增加原理
在一个封闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行，直到达 到平衡态，此时熵达到最大值。
柯尔莫哥洛夫表述
对于封闭系统，总存在着一个宏观状态，使得该系统的熵等于最大 值。
02
卡诺定理的介绍
卡诺定理的内容
01
卡诺定理指出，在两个恒温的热源之间工作的可逆热机，其效 率不可能超过工作在相同温度下的可逆热机的效率。
02
可逆热机是一种理想化的机器，其工作过程可以完全逆转而不
产生任何外部效应。
卡诺定理是热力学第二定律的一个重要推论，它揭示了热机效
03
率的极限。
卡诺定理的物理意义
卡诺定理表明，在两个恒温热源之间工作的热机，其效率最高只能达到1T1/T2（T1和T2分别为高温和低温热源的温度）。
这个极限效率是由热力学第二定律所规定的，任何实际热机都无法突破这 一限制。
卡诺定理的物理意义在于它揭示了热机效率的局限性，从而限制了利用热 能转化为机械能的效率。
卡诺定理的重要性
从克劳修斯和开尔文的描述证明热力学第二定律的数学表达式
从克劳修斯和开尔文的描述证明热力学第二定律的数学表达式
克劳修斯表述的热力学第二定律是：“热量不能自行由低温物体传到高温物体。
”
开尔文表述的热力学第二定律是：“热力学过程中不可能从单一热源中吸热使之完全变为功而不产生其他影响。
”
这两个描述可以使用数学表达式来证明热力学第二定律。
首先，假设存在一个完全可逆的过程，使得热量从低温物体Tc流入高温物体Th，而不产生其他影响。
根据热力学中的能量守恒定律，低温物体吸收的热量Qc和高温物体排放的热量Qh之和应等于零，即Qc + Qh = 0.
根据克劳修斯描述，热量不能由低温物体自行传到高温物体，因此Qc必须大于零，而Qh必须小于零。
所以Qc > 0 且 Qh < 0.
根据开尔文描述，不可能从单一热源中吸热使之完全变为功而不产生其他影响。
因此，对于低温物体来说，从中吸收的热量Qc要一部分用于产生功W，即Qc - W = 0，而不可能全部用于产生功且不产生其他影响。
综上所述，根据克劳修斯和开尔文的描述，我们可以推导出热力学第二定律的数学表达式：
Qc > 0， Qh < 0， Qc + Qh = 0， Qc - W ≠ 0.
所以热力学第二定律的数学表达式可以表示为：
ΔS = ΔS系统+ ΔS环境≥ 0.
其中ΔS表示熵的变化，系统和环境的熵变化之和应大于等于零，表示熵的增加不可逆过程无法自行进行。
热力学第一定律和第二定律的表述及其本质
热力学第一定律和第二定律的表述及其本质热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是指在任意一个过程中，系统的总能量（包括动能、势能和热能）是保持不变的。
这意味着在热力学过程中，能量不会凭空产生或消失，只会从一种形式转化为另一种形式。
这个定律可以用如下方程来表示：ΔE = Q + W其中，ΔE表示系统的总能量变化量，Q表示系统接受或放出的热能，W表示系统接受或放出的功。
热力学第二定律有两种常见的表述方式。
第一种是由爱因斯坦和普朗克提出的熵增加原理，即热力学过程中熵增加的期望值是非负的。
这个定律可以用如下方程来表示：ΔS ≥ 0其中，ΔS表示系统的熵变化量。
第二种是由约瑟夫·佩尔森提出的热力学第二定律，即热力学过程中熵增加的期望值等于热力学系统接受的热能除以热力学系统的温度。
这个定律可以用如下方程来表示：ΔS = Q/T其中，Q表示系统接受的热能，T表示系统的温度。
热力学第二定律的本质是描述了热力学过程中能量的不可逆性。
也就是说，热力学过程中能量总是从更高熵的状态流向更低熵的状态，而不会反过来。
这也是为什么机械能量守恒定律（动能守恒定律）与热力学第二定律的区别，机械能量守恒定律只适用于描述机械运动过程中的能量转化，而热力学第二定律则描述了能量在热力学过程中的转化。
热力学第二定律有两种常见的表述方式。
第一种是由爱因斯坦和普朗克提出的熵增加原理，即热力学过程中熵增加的期望值是非负的。
这个定律可以用如下方程来表示：ΔS ≥ 0其中，ΔS表示系统的熵变化量。
第二种是由约瑟夫·佩尔森提出的热力学第二定律，即热力学过程中熵增加的期望值等于热力学系统接受的热能除以热力学系统的温度。
这个定律可以用如下方程来表示：ΔS = Q/T其中，Q表示系统接受的热能，T表示系统的温度。
热力学第二定律的意义在于它为热力学过程的研究提供了理论基础，使得我们能够准确地预测和解释热力学过程中能量的转化规律。
同时，热力学第二定律也为工程设计和应用提供了重要的参考，使得我们能够更加科学地利用热力学原理来提高工作效率。
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：
热量能够自觉地从较热的物体传达到较冷的物体，但不行能
自觉地从较冷的物体传达到较热的物体；开尔文 - 普朗克表
述：
不行能从单调热源汲取热量，并将这热量变成功，而不产生
其余影响。
熵表述：
随时间进行，一个孤立系统中的熵老是不会减少。
关系：
热力学第二定律的两种表述（前2 种）看上去仿佛没什么关系，但是实质上他们是等效的，即由此中一个，能够推导出另一个。
意义：
热力学第二定律的每一种表述，揭露了大批分子参加的宏观
过程的方向性，令人们认识到自然界中进行的波及热现象的
宏观过程都拥有方向性。
微观意义
全部自然过程老是沿着分子热运动的无序性增大的方向进
行。
第 1页
第二类永动机（不行能制成）
只从单调热源汲取热量，使之完整变成实用的功而不惹起其他变化的热机。
第 2页。
简述热力学第二定律的克劳修斯表述
简述热力学第二定律的克劳修斯表述克劳修斯表述的热力学第二定律是指：在一个封闭系统中，不可能将热量完全转化为做功而不产生其他影响。
这个定律对于能量转化的方向和效率有着重要的指导意义，它揭示了自然界中能量转化的普遍规律。
热力学第二定律的克劳修斯表述是热力学中最重要的定律之一。
它由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯于1850年提出，是热力学的基石之一。
这个定律是指在一个孤立系统中，热量不会自动从低温物体传递到高温物体，而只有在外界施加额外的工作时，热量才能从低温物体传递到高温物体。
简单来说，克劳修斯表述的热力学第二定律告诉我们，热量不会自发地从冷物体转移到热物体，而只有通过外界的干预，例如施加压力或利用其他形式的能量，才能实现这一过程。
这个定律的意义在于揭示了能量转化的不可逆性，即能量总是从高能态流向低能态，而不会相反。
克劳修斯表述的热力学第二定律对于自然界的各种能量转化过程具有普适性。
无论是热机、制冷机还是其他热能设备，都必须遵守这个定律。
例如，汽车发动机利用燃烧产生的热能驱动活塞运动，将热能转化为机械能。
但是，发动机的效率永远不可能达到100%，因为根据克劳修斯表述，总会有一部分热量无法转化为有用的功，而是以废热的形式散失出去。
克劳修斯表述的热力学第二定律还有一个重要的应用领域，即制冷技术。
制冷机的工作原理就是利用外界施加的功将热量从低温环境中抽取出来，然后释放到高温环境中。
这个过程与克劳修斯表述的热力学第二定律是一致的，即热量不会自发地从低温环境转移到高温环境，而需要外界的能量输入。
总结起来，克劳修斯表述的热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它揭示了能量转化的不可逆性。
根据这个定律，热量不会自发地从低温物体传递到高温物体，而只有通过外界施加的额外工作，热量才能从低温物体转移到高温物体。
这个定律对于能量转化的方向和效率有着重要的指导意义，不仅在热力学领域有广泛的应用，也在能源利用和制冷技术中具有重要的意义。
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积分与路径无关
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
在可逆过程中，系统从状态A变化到状 态B ，其热温比的积分只决定于初末状态 而与过程无关. 可知热温比的积分是一态函 数的增量，此态函数称为熵(符号为S）.
物理意义
热力学系统从初态 A 变化到末态 B ， 系统熵的增量等于初态 A 和末态 B 之间任 意一可逆过程热温比（ dQ / T ）的积分.
1。要有循环
系统
A Q1=A
不
2。热量全转为功 可
3。外界无影响
能
开尔文表述还可表达为： 第二类永动机造不成
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
开尔文表述的理解
对等温膨胀
QT
p p1
p2
U
A
过程是从单一热 源吸热作功，而 不放出热量给其 它物体.
单个过程可实现， 但它不是循环过程
与开尔文表述不矛盾
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
热力学第二定律的两种表述
1 开尔文表述 不可能制造出这样一种循环工作的热 机，它只从单一热源吸取热量，全部变为 有用功，而外界不产生影响（不放出热量 给其它物体，或者说不使外界发生任何变 化）。
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
开尔文表述的理解
高温热源 Q1
《热学》 课件
二、 可逆过程与不可逆过程
可逆过程 : 一个系统由某状态出发，经 过某一过程达到另一状态，如果存在另一 个过程，它能使系统和外界复原，则原来 的过程叫做可逆过程 .
准静态无摩擦过程为可逆过程
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
不可逆过程：用任何方法都不能使系统和外 界复原的过程叫做不可逆过程. 非准静态过程为不可逆过程. 可逆过程的条件 准静态过程（无限缓慢的过 程）的，无摩擦力、粘滞力或其它 耗散力作功的，无能量耗散的过程 .
A ABEF 的面积 (P )V (V )T ①
(P)T Q1 [ P ](V )T (U )T ② 2
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
根据卡诺定理，可逆循环的效率为：
A T1 T2 Q1 T1
A T T A Q1 对微小可逆卡诺循环，可得： Q1 T T (P)T T (P)V (V )T {[ P ( )]( V )T (U )T } 2 T 略去三级无 T 穷小 量可得：(P)V (V )T [ P(V )T (U )T ] T
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
以卡诺机为例，有
Q1 Q2 Q1
T1 T2 T1
( 不可逆机 ) （可逆机）
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
6-5 热力学温标
热力学温标，与测温物质性质无关的温标
1、热力学温标的建立过程： 设有温度为θ1、θ2两个恒 温热源. 这里的θ1、θ2 可以是任何 温标所确定的温度。
《热学》 课件
第六章
热力学第二 定律
按李椿著《热学》内容体系编写 第十三章 热力学基础
《热学》 课件
本章目录
6-0 教学基本要求 6-1 热力学第二定律 6-2 热现象过程的不可逆性 6-3 热力学第二定律的统计意义 6-4 卡诺定理 6-5 热力学温标
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
本章目录
分子分布全在左侧气 室有1/4的可能性
当N 4时, W 1 16
n1 1 n2 4
n3 4
n5 1
分子分布全在左侧气 室有1/16的可能性
n3 6
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
N个分子全在左侧气室的可能性 （分布几率）规律为：1/2N
气室的几率为： 1
若1摩尔分子由左气室自由膨胀后，全回到左
Q2 f ( 3 . 2 ) Q3
Q1 f ( 3 . 1 ) ( 6 . 2 ) Q3
Q3 E3 Q1 θ
1
θ
3
f (1. 2 )
f ( 3 . 2 ) ......(6.3) f ( 3 .1 )
Q3 E2
Q2 ( 2 ) 令 (6.4) Q1 (1 )
61023
2
太小了！！
热力学第二定律的统计意义： 孤立系统内部发生的过程，总是由热 力学几率小的状态向热力学几率大的状态 进行.
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
6-4 卡诺定理
一、 卡诺定理
(1) 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 .
(2) 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 .
相 当 于
Q1 系统 A Q1=A
违 背 开 尔 文 表 述
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
开尔文表述与克劳修斯表述的等效性
若开尔文表述不对，则克劳修斯表述也不对
高 温 热 源 T1 Q1
制冷机
.
高温热源
Q1
热机
A
Q2 低 温 热 源T2
相 当 于
Q2
低温热源
违 背 克 劳 修 斯 表 述
第六章 热力学第二定律
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
三 熵的引入意义
（1）熵的概念建立，使热力学第二定律 得到统一的定量的表述 .有了数学表达式。 （2）熵是孤立系统的无序度的量度.（平 衡态时熵最大.）（热力学几率W 愈大，熵 愈高，系统无序度愈高.）
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
1 熵的引入准备
Q1 Q2 T1 T2 对可逆卡诺机 Q1 T1
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
热传导 高温物体 非均匀、非平衡 扩散过程
自发传热
非自发传热
低温物体 均匀、平衡
V
有序
自发 V V 外力压缩
无序
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
二 无序度和微观状态数
不可逆过程的本质 系统从热力学几率小的状态向热力学 几率大的状态进行的过程 . 一切自发过程的普遍规律都是由 几率小的状态 几率大的状态
3 热力学第二定律可有多种说法，每 种说法都反映了自然界过程进行的方向性 . （每个同学都可以说一种，试一下！）
??
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
6-2 热现象过程的不可逆性 一、 开尔文表述与克劳修斯表述的等效性
若克劳修斯表述不对，则开尔文表述也不对
高温热源 Q1
.
高温热源
Q2
系统 A Q2 低温热源
讨论： 气体的自由膨胀（气体分子在空间 的分布问题） 容器被隔板分为左右两个气室，左侧 开始集中N个分子，右侧为空。现抽去隔板 后，N个分子再重新集中在左空间的几率W
当N 1时, W 1 2
分子分布在左侧气室有1/2的可能性
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
当N 2时, W 1 4
Q1 Q2 T1 T2
Q1 Q2 0 T1 T2
Q 等温过程中吸收或放出 热温比 T 的热量与热源温度之比 .
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
结论 ：可逆卡诺循环中，热温比总和 为零 .
任意的可逆循环可视为由许多可逆卡 诺循环所组成. p Qi 对任一微小可逆
卡诺循环，有
Qi Qi 1 0 Ti Ti 1
U P P( )T T ( )V V T
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
可得到 意 义
U P ( )T T ( )V P V T
应用热力学第二定律就把物质的状态方 程和内能两方面的平衡性质联系起来
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
一
6-7 熵
有序与无序
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 无序
Q1 E1 Q2 θ
2
Q2
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
中ψ(θ)为另一普适函数. 这个函数的形式与温标Q的选择有关，所 选温标Q的不同，应有一系列函数ψ(θ)满 足（6.4）式。
式
开尔文首先建议引入一个新的温标T,令 T∝ψ(θ),这样,(6.4)式就化为：
Q2 T2 (6.5) Q1 T1
1 ( p1 ,V1 , T )
W
V1
P-V 图
( p2 ,V2 , T ) 2
V2
o
V
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
开尔文表述的理解
p
a
T1
T1 T2
b
T2
高温热源 T1
Q1
卡诺热机
d
A
A
过程 是可 以的
c
V
Q2
低温热源 T2
o
对卡诺循环是循环过程，但需
两个热源，且使外界发生了变化 （有放热Q2).
第六章 热力学第二定律
《热学》 6 课件
5 4 3 2 1 0 4个粒子分布
左4 左3 左2 左1 左0
右0 右1 右2 右3 右4
假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的（等概率原理）
N= 4个粒子，总状态数16， 左4右0 和 左0右4，几率各为1/16； 左3右1和 左1右3 ，几率各为1/4； 左2右2， 几率为3/8。 对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 几率最大。
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件
永 动 机 的 设 想 图
第六章 热力学第二定律
《热学》 课件