第六讲：热力学第二定律
热力学第二定律的条件
热力学第二定律的条件热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它描述了自然界中热量能量的流动方向，也被称为能量不可逆性原理。
要实现不可逆的能量流动，需要满足一系列条件，本文将对这些条件进行分步骤的阐述。
第一步：热力学系统的孤立热力学第二定律是一个基于热力学系统的研究，因此为了满足热力学第二定律的条件，我们需要形成一个闭合的、隔绝与外界的热力学系统。
这个系统的能量、质量等宏观性质在系统内部保持不变。
第二步：热力学系统间的交互当我们有两个热力学系统时，这两个系统间的热和功交互就是满足热力学第二定律的条件之一。
通过这种方式，第一个系统会将热量传递给第二个系统，从而实现了热量从高温环境向低温环境的传递。
这是热力学第二定律的体现之一。
第三步：高熵状态的产生高熵状态的产生是热力学第二定律的另一个核心条件之一。
当系统接收到热量时，系统内部的熵会增加，这使得热能建立的联接变得更加无序。
因此，当一个系统处于高熵状态时，它的热力学性质也会变得不同。
第四步：热的不可逆性质热力学第二定律的另一个重要条件是热的不可逆性质。
当热量从高温环境向低温环境中传递时，它只能沿着一条方向流动。
这种单向流动性质表明了热量的不可逆特性。
第五步：稳态的产生最后一个满足热力学第二定律的条件是稳态的产生。
当一个热力学系统达到热力学平衡时，它的能量、熵和其他物理性质都处于一个稳定状态。
在这种状态下，任何能量传递的进程都会被均衡地分布。
总之，热力学第二定律的条件涉及了热力学系统的孤立、各系统间的交互、高熵状态的产生、热的不可逆性、以及稳态的产生。
只有同时满足这些条件，才能保证自然界中热量的流动和交互符合热力学第二定律的规律。
热力学第二定律
内容：所有工作于同温热源与同温冷源之间的热机， 可逆机效率最大。
数学式：
W Q1 Q2 T2 T1
Q2
Q2
T2
< 任意机 ＝ 可逆机
或 Q1 Q2 0 可逆循环热温熵之和等于零
T1 T2
不可逆循环热温熵之和小于零
或
QB 0
TB
定理证明：
用反证法，假设
I R
由图可知：
WW Q1' Q1
循环净结果： 热从低温热源自动传到高温热源而无其它变化，
违背了克劳修斯说法。
∴ 假设不成立，即 I R
卡诺定理推论：
所有工作于同温热源与同温冷源间的可逆机，热 机效率都相同而与工作介质无关。
定理的意义：
1） 指出了热机的效率，说明热不能100%转化为功； 2） 为热力学第二定律熵函数S的提出奠定了基础。
第三章 热力学第二定律
热力学第二定律解决的问题： 预测一定条件下一个过程进行的自发方向和限度。
自发过程： 无外力作用条件下（即不消耗外功）能够进行的过程。
限度： 一定条件下，过程能够进行到的最大程度。
§3-1 自发过程的共同特征
一、几个自发过程实例 1. 热传递
高温物体（T2） 热自动传递 低温物体（T1）
熵判据关键点： ①隔离体系中可能发生的过程,总是向熵增大方向进行
——过程进行的方向 ②一定条件下熵增至其最大值
——过程的限度
五、熵和“无用能”
高温热源 T2
Q
Q
R1 W1
T1
Q
Q-W1
R2 W2 Q -W2
低温热源 T0
图2-7 能量的退化
卡诺热机R1：
R1
W1 Q
热力学第一定律和第二定律
热力学第一定律和第二定律热力学第一定律1. 内容：一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对物体做的功W，与物体从外界吸收的热量Q之和,等于物体的内能的增加量2. 数学表达式：W+Q=ΔU(1)Q取决于温度变化：温度升高，Q>0;温度降低，Q<0.(2)W取决于体积变化：V增大时，气体对外做功，W<0;V减小时，外界对气体做功，W>0.(3)特例：如果气体向真空扩散，那么W=0.(4)绝热过程Q=0，关键词是“绝热材料”或“变化迅速”。
3. 热力学第1定律的理解(1)做功改变物体的内能：外界对物体做功，物体内能增加;物体对外做功，物体内能减少。
在绝热过程，物体做多少功，改变多少内能。
(2)热传递改变物体的内能：外界向物体传递热量，即物体吸热，物体的内能增加;物体向外界传递热量，即物体放热，物体的内能减少。
传递多少热量，内能就改变多少。
(3)做功和热传递的实质，做功改变内能是能量的变化，用功的数值来度量;热传递改变内能是能量的转移，用热量来度量。
热力学第二定律1.热传导的方向性：热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。
2.补充说明：(1)“自发地”过程就是不受外界干扰的条件下进行的自然过程;(2)热量可以自发地从高温物体向低温物体传递，却不能自发的从低温物体传向高温物体;(2)热力学第二定律的能量守恒表达式：ds≥δQ/T(3)热量可以从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。
3.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
(2)开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功，而不引起其他变化。
精品科普讲座—热力学第二定律
克劳塞在汤姆生传记中写道：“说来也怪有趣的，就是汤姆生在年青时就碰到了两 个大名鼎鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来却只同其中之一的焦耳，成了最投机 的同志。”
当时，汤姆生正在电磁理论边缘徘徊，和焦耳的一席交谈，使他把注意力转向了 热力学研究，从而在物理学的另一个领域大放光彩。
等方面，对热力学的发展起了很大作用。
热力学第二定律后来被归纳为三种表述形式： 1.热量总是从高温物体自动传到低温物体，不能作相反传递而不带来其他变化。 2.功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所受的热量转变
为功，人们无法制造第二种永动机。 3.在孤立系统中，实际发，汤姆生创立了绝对温标。这种温标以—273℃作为0°，用于热力学计算， 故称热力学温标。现在公认的绝对0°是—273.15℃。
因为威廉·汤姆生在1892年被封为凯尔文勋爵，所以他创立的温标被称为开氏温标， 简称K（因为凯尔文又译为开耳芬）。
1815年，汤姆生提出了一条新的普通原理：不可从单一热源吸取热量，使之完 全变成有用的功而不产生其他影响。这就是热力学第二定律的凯尔文表述。
汤姆生10岁时，和哥哥正式进格拉斯哥大学预科学习，这可能是当时最小的大学 生。汤姆生天资聪明，学习勤奋，表现出杰出的才能。15岁，他获得学校的物理学奖， 第二年获天文学奖。17岁时，他在剑桥大学的数学杂志上发表了一篇论文，名震全校。
此后几年中，汤姆生发表了一连串的研究论文，内容包括数学、热力学和电学。
1846年，年仅22岁的汤姆生击败30多位教师候选人，获得了格拉斯哥大学的教授职 位。
1847年6月，焦耳在牛津大学举行的学术会议上，阐明机械能可以定量地转化为 热能，各种形式的能都可以相互转化。
热力学第二定律特点
热力学第二定律的特点
热力学第二定律的特点包括以下5个方面：
1.方向性：热力学第二定律指出，自然过程的进行是有方向性的，即某些过程可以自
发的发生，而另一些过程则不能。
例如，热量可以从高温物体自发地传递到低温物体，而相反的过程则不能自发地发生。
2.不可逆性：热力学第二定律揭示了时间的箭头，即时间是单向流逝的，自然过程具
有不可逆性。
例如，一个气体分子的熵会随着时间的推移而增加，而减少熵的过程则是不可能发生的。
3.普遍性：热力学第二定律是一个普适的定律，适用于所有物质和所有物理过程。
无
论是固体、液体还是气体，无论是化学反应还是物理过程，都受到热力学第二定律的制约。
4.统计性：热力学第二定律是基于统计规律得出的，它描述的是大量粒子或分子的集
体行为。
对于单个分子或少量分子的行为，热力学第二定律并不适用。
5.热力学概率：热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵总是倾向于增加，这反映了
系统无序度的增加。
同时，系统的有序度的增加也是可能的，但需要外部的干预，例如能量的输入。
因此，热力学第二定律也反映了自然过程的“涨落”和“概率性”。
总之，热力学第二定律是物理学中的基本定律之一，它描述了自然过程的进行方式和方向，揭示了时间的箭头和不可逆性，同时也反映了物质和能量的统计性质和概率性质。
高二物理 第十一章《分子热运动 能量守恒》第六节 热力学第二定律(2)教案 旧人教版
第十一章分子热运动能量守恒第六节热力学第二定律教学目标一、知识目标：1.了解热传导过程的方向性.2.了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成.3.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质.4.了解什么是能量耗散.二、能力目标：培养学生通过日常生活现象概括物理规律的能力.三、德育目标：通过第二类永动机不可能制成的教学，教育学生要有效地利用自然界提供的的各种能源，必须遵循自然界的规律.教学重点1.热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.2.第二类永动机及其不能制成的原因.教学难点热力学定律的不同表述及物理实质教学方法阅读法、分析归纳法、讲练法教学用具投影仪、投影片、录像带课时安排1课时教学过程一、引入新课［投影］地球上海水的总质量约为1.4×1018 t，当海水的温度降低0.1 ℃，放出多少焦的热量？假设每个核电站的功率为100万千瓦，则这些热量相当于多少个这样的电站一年的发电量？［学生解答］得到：这些海水的温度降低0.1 ℃，能放出5.8×1023 J的热量，这相当于 1800万个功率为100 万千瓦的核电站一年的发电量.［教师］既然海水能放出这么多的能量，为什么人们不去研究这种新能源呢？原来这样做是不可能的，这涉及到物理学的一个基本定律，这就是本节要学习的热力学第二定律.二、新课教学（一）热传导的方向性［问］两个温度不同的物体互相接触时，将会出现什么现象？［学生］两个温度不同的物体互相接触时，热量将从高温物体传给低温物体，使高温物体温度降低，低温物体温度升高.［教师］上述过程中热量是自发地从高温物体传给低温物体的，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助.［问］那么，同学们见过热量从低温物体传给高温物体的实例吗？［学生］电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体［教师］电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，在该过程中电冰箱要消耗电能，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了，相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高.［总结］热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反方向却不能自发地进行，要实现相反方向的过程.必须借助外界的帮助.因而要产生其他影响或引起其他变化.（二）第二类永动机［问］一个在水平地面上运动的物体，撤去外力作用后，为什么会停下来？在这个过程中，能量是如何转化的？［学生］在水平地面上运动的物体，撤去外力后，由于克服摩擦力做功，所以最后会停下来；在上述过程中，物体的动能转化为内能.［教师］现在，我们假想：发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化，这是否可能？［学生阅读课文，分组讨论］［学生汇报讨论结果］［教师总结］通过同学们的分析，我们得到：实际上，热机不能把它得到的内能转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中.［放映热机工作的录像资料，加深学生的理解］［教师］人们把这种从单一热源吸收的热量，可以全部用来做功而不引起其他变化的热机叫第二类永动机.第二类永动机虽不违背守恒定律，但是也失败了.第二类永动机不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有方向性，也就是说机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化.（三）热力学第二定律［演示］如图所示的连通容器，A中装有红棕色NO2气体，B是真空，打开阀门K，观察发生的现象.［现象］我们看到A中的气体自发地向容器B中膨胀，最后两个容器都充满气体［问］A、B中的气体是否会自发地分开呢？［学生］不会自发地分开［教师］上述实验说明热学中的扩散现象具有方向性，我们把类似的具有方向性的现象进行概括，就得到了热力学第二定律.［学生阅读课文，并解答思考题］［投影］1.热力学第二定律常见的两种表述方式是什么？2.热力学第二定律对我们认识自然、利用自然有什么重要意义？3.什么是能量耗散？能量耗散反映了什么问题？［学生回答］1.热力学第二定律的两种常见表述是：第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体.而不引起其他变化.第二种表述：不可能从单一热源吸热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化.2.热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，即自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性3我们没有办法把流散的能量重新收集起来加以利用，这种现象叫能量耗散，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性.［强化训练］讨论：热力学第一定律和热力学第二定律的关系.参考解答热力学第一定律和第二定律都自然界中独立的定律，热力学第二定律是第一定律的补充.1.第一定律只指出了η不大于100%，而第二定律指出的是η不等于100%，说明功可以全部变为热，而热量不能通过一循环全部变为功，即机械能和内能是有区别的.2.第一定律指出了热功等效和转换关系，指出任何过程能量必须守恒第二定律指出的是：并非所有能量守恒过程都能实现，低温热源的热量就不能自动地传向高温热源，揭示了过程进行的方向和条件.3.第一定律没有温度的概念，第二定律中有了温度的概念，提出了在高温热源和低温热源间的问题，提出了不同温度差下，相同的热量效果是不一样的，有必要加以区分.三、小结这一节我们又学习了热学方面的几个重要规律，热力学第二定律的不同表述及其物理实质是学习的重点和难点，还要学会用热力学第二定律的结论解释一些现象。
热力学第二定律
第六章热力学第二定律绪 言一、热力学第二定律的任务：判断过程进行的方向和限度。
热力学第一定律是能量守恒与转化定律（第一类永动机不能制成），那么任何违反热力学第一定律的过程都不能发生。
然而，大量事实已证明，有些不违反热力学第一定律的过程也并不能发生。
大家都知道在自然界中存在许许多多朝一定方向自发进行的自然过程，即在一定条件无需人为地施加任何外力就能自动发生的过程。
例如：(1) 水从高处流向低处，直至水面的高度相同。
(2) 气体自动地从高压区流向低压区，直至压力相等。
(3) 两个温度不同的金属棒接触，热自动的从高温棒传向低温棒，直到温度相同。
(4) 浓度不均的溶液体系会自动地变成浓度均匀一致等等。
这些过程都属于自动发生的过程，但是从来也不会自动发生上述这些过程的逆过程，即水自动从低处流向高处。
虽然这些逆过程若能发生，也并不违反热力学第一定律。
从这还看出：自发过程都具有单向性、有限性。
所以说，热力学第一定律不能告述人们过程进行的方向及限度，要解决过程的方向和限度必须依赖于热力学第二定律。
所以热力学第二定律要解决的中心任务就是如何判断过程的方向和限度问题。
学习热力学第二定律的基本路线与讨论热力学第一定律相似，先从人们在大量实验中的经验得出热力学第二定律，建立几个热力学函数S 、G 、F，再用其改变量判断过程的方向与限度。
第一节自发变化的共同特征—不可逆性对周围发生的实际过程进行研究，依据热力学第二定律说明实际过程的不可逆性。
例1: 理想气体向真空膨胀过程。
该过程是一实际发生的过程，在此过程中Q1 = 0，W1 = 0，过程发生后体系的状态发生了变化（体积增大）。
若想使体系复原可以做到，只要消耗W2的功把气体压缩回去就行。
压缩过程中，气体会传给环境与W2相等的热∣Q2∣= W2，环境能不能复原取决于热能否全部转化为功而不再引起任何其它变化。
在学习可逆过程中知道，不可逆膨胀及反向不可逆压缩时W2≠∣W1∣，而是W2 >∣W1∣。
热力学第二定律的实验原理
热力学第二定律的实验原理热力学第二定律是热力学中的一个重要定律，它揭示了自然界中热能传递的方向，也被称为热力学箭头定律。
它具体表述为：热量自热量较高的物体传递给热量较低的物体时，不论采用怎样的途径和方法，热量都不会从热量较低的物体自发地传递给热量较高的物体。
热力学第二定律的实验原理主要可以通过实验观察热力学系统的行为来进行验证。
下面我将详细介绍几种实验原理：实验一：卡诺循环实验卡诺循环实验是验证热力学第二定律的经典实验之一。
该实验通过理想气体的循环过程来验证热力学第二定律。
实验中，首先将气体加热至高温T2的恒温热源中，然后将热源中的气体通过绝热壁与工作物体进行接触，使气体对工作物体做功，降低气体温度至低温T1的恒温热源中，最后将气体与低温热源中的气体接触，使气体吸收热量，回到初始状态。
通过实验测量和计算，可以得到卡诺循环的效率，验证了热力学第二定律。
实验二：斯特林循环实验斯特林循环实验也是验证热力学第二定律的经典实验之一。
该实验中，通过斯特林发动机进行热力学循环过程。
实验中，工作物体由活塞和气体组成，首先通过热源的加热，气体膨胀推动活塞做功，然后通过冷却装置使气体冷却，活塞复位，完成一次热力学循环。
通过实验测量和计算，可以得到斯特林循环的效率，验证了热力学第二定律。
实验三：热力学不可逆性实验热力学第二定律指出，在一个孤立系统内，熵永远不会减少。
实验中可以通过观察一些不可逆过程来验证这一定律。
例如，观察水从高温容器流向低温容器的过程，可以发现热量是从高温流向低温的，而不会反向流动。
又如观察湖的水往低处流的过程，也是熵递增的表现。
这些实验直观地验证了热力学第二定律。
总结：热力学第二定律的实验原理主要通过观察热力学系统的行为来进行验证。
实验中使用了多种实验方法，如卡诺循环实验、斯特林循环实验和观察热力学不可逆过程。
通过这些实验可以验证热力学第二定律的普适性和不可逆性。
这些实验原理的验证为热力学第二定律的应用奠定了基础，也为热力学理论的发展作出了重要贡献。
高一物理热力学第二定律PPT精品课件
热机是一种把内能转化为机械能的装置
• 气缸中的气体得到 燃料燃烧时产生的 热量Q1
• 推动活塞做功W
• 排出废气，同时把 热量Q2散发到大气 中。
• Q1=W+Q2 • 热机效率η=W/Q1
热源 热机 冷凝器
机械能和内能的转化 过程具有方向性。
打开阀门，容器A中 的气体会自发地向容器 B中膨胀。最后两容器 都充满气体。
-273.150C。以这个下限为起点的温 度叫热力学温度，用T表示，单位 是开尔文，符号是K。
氢弹爆炸中心 实验室已获得的最高温度 太阳中心 地球中心 乙炔火焰 金的凝固点 锡的凝固点 月球的向阳面 地球上出现的最高温度 地球上出现的最低温度 月球的背阴面 氮的沸点 氦的沸点 星际空间 实验室已获得的最低温度
容器B中的气体能否 自发地流入容器A,使B 中成为真空?
热源
热机 冷凝器
• 不可能使热量由低温物体传 递到高温物体，而不引起其 它变化。
• 不可能从单一热源吸收热量 并把它全部用来做功，而不 引起其它变化。
1，按热传递的方向性来表述
2，是按机械能与内能转化过 程的方向来表述。
宇宙中存在着温度的下限：
大气
电冰箱制 冷系统
贮藏的 食品
• 热传导的过程是有方向性的，这 个过程可以向一个方向自发地进行， 但是向相反的方向却不能自发地进 行。
• 要实现相反方向的过程，必须 借助外界的帮助，因而产生其它影 响或引起其它变化。
一个在水平地面上的物体，
由于克服摩擦力做功，最后要停 下来。在这个过程中，物体的动 能转化成为内能，使物体和地面 的温度升高。
2.4《热力学第二定律》
教学目标
知识与能力：
1、了解某些热学过程的方向性；2、了解什么是 第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成； 3、了解热力学第二定律的两种表述，理解热力学 第二定律的物理实质；4、知道什么是能量耗散； 5、知道什么是热力学第三定律。
大学普通物理课件67热力学第二定律卡诺定律
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 第六章热力学基础
• 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 . ➢ 热功转换
完全
功
热
不完全
有序 自发
无序
➢ 热传导
高温物体 自发传热 低温物体 非自发传热
非均匀、非平衡 自发
均匀、平衡
卡诺热机
Q2
低温热源 T 2
但需两个 热源，且 使外界发 生变化.
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 第六章热力学基础
永 动 机 的 设 想 图
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 第六章热力学基础
2 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自 动传到高温物体而不引起外界的变化 .
p A Q 1 T1 T2
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 第六章热力学基础
三 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 .
以卡诺机为例，有
Q1Q2 T1T2
Q1
T1
( 不可逆机 ) （可逆机）
准静态无摩擦过程为可逆过程
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 第六章热力学基础
• 不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能 使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但 必然会引起其他变化，这样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），且无摩擦