热力学过程的可逆性和不可逆性
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。
热力学第二定律详解
热力学第二定律（英文：second law of thermodynamics）是热力学的四条基本定律之一，表述热力学过程的不可逆性——孤立系统自发地朝着热力学平衡方向──最大熵状态──演化，同样地，第二类永动机永不可能实现。
这一定律的历史可追溯至尼古拉·卡诺对于热机效率的研究，及其于1824年提出的卡诺定理。
定律有许多种表述，其中最具代表性的是克劳修斯表述（1850年）和开尔文表述（1851年），这些表述都可被证明是等价的。
定律的数学表述主要借助鲁道夫·克劳修斯所引入的熵的概念，具体表述为克劳修斯定理。
虽然这一定律在热力学范畴内是一条经验定律，无法得到解释，但随着统计力学的发展，这一定律得到了解释。
这一定律本身及所引入的熵的概念对于物理学及其他科学领域有深远意义。
定律本身可作为过程不可逆性[2]:p.262及时间流向的判据。
而路德维希·玻尔兹曼对于熵的微观解释——系统微观粒子无序程度的量度，更使这概念被引用到物理学之外诸多领域，如信息论及生态学等克劳修斯表述克劳修斯克劳修斯表述是以热量传递的不可逆性（即热量总是自发地从高温热源流向低温热源）作为出发点。
虽然可以借助制冷机使热量从低温热源流向高温热源，但这过程是借助外界对制冷机做功实现的，即这过程除了有热量的传递，还有功转化为热的其他影响。
1850年克劳修斯将这一规律总结为：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。
开尔文表述参见：永动机#第二类永动机开尔文勋爵开尔文表述是以第二类永动机不可能实现这一规律作为出发点。
第二类永动机是指可以将从单一热源吸热全部转化为功，但大量事实证明这个过程是不可能实现的。
功能够自发地、无条件地全部转化为热；但热转化为功是有条件的，而且转化效率有所限制。
也就是说功自发转化为热这一过程只能单向进行而不可逆。
1851年开尔文勋爵把这一普遍规律总结为：不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
热力学第二定律阐述能量转换不可逆原则
热力学第二定律阐述能量转换不可逆原则能量转换不可逆原则是热力学第二定律的重要内容之一。
热力学第二定律描述了自然界中能量转换的趋势，其中最重要的原则之一就是能量转换的不可逆性。
热力学第二定律的提出可以追溯到19世纪初。
当时，科学家们开始关注能量转换的效率以及能量转换是否存在某种限制。
他们发现，自然界中的能量转换往往是不可逆的，即转化的能量不能完全回转到初始状态。
这一观察结果奠定了热力学第二定律的基础。
能量转换不可逆性的一个常见例子是热量传递。
根据热力学第二定律，热量永远只会从高温物体流向低温物体，而不会自发地从低温物体流向高温物体。
这意味着热量传递是不可逆的过程，无法完全恢复原状。
为了更好地理解能量转换不可逆原则，我们可以通过熵的概念来解释。
熵是描述能量分布不均匀程度的物理量，也可以看作是能量转换不可逆性的度量。
根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵永远不会减少，而是随时间增加。
这意味着自然界趋向于更高的熵状态，即趋向于更加混乱和不可逆的状态。
能量转换的不可逆性对我们日常生活中的许多现象都有影响。
例如，摩擦力产生的热量是能量转换不可逆的结果。
当两个物体相对运动时，摩擦力会将一部分机械能转化为热量。
这个过程是不可逆的，无法将热量完全转化为机械能。
因此，在机械装置中通常需要添加润滑油等物质来减少摩擦力，以提高能量转换的效率。
能量转换不可逆原则也对环境保护具有重要意义。
我们知道，能源的转化通常会产生废热。
废热是不能再利用的能量，它增加了系统的熵并加剧了环境的热污染。
为了提高能量转换的效率并减少能源浪费，我们需要采取各种措施，如优化能源利用方式、提高能源转换装置的效率等。
虽然能量转换不可逆原则带来了一些限制和挑战，但它也为我们提供了理解和应用自然界的能量转换过程的重要指导。
通过深入研究能量转换不可逆性，我们可以更好地设计和改进能源转换装置，提高能源利用率，减少能源浪费，推动可持续发展。
总之，热力学第二定律阐述了能量转换不可逆原则，即能量转换往往会产生一些不可恢复的损失。
可逆热力学过程
可逆热力学过程是指在系统和外界之间无摩擦、无热量和无传质损失的条件下进行的热力学过程。
在可逆过程中，系统的状态变化可以沿着反方向回到初始状态，而且系统与外界之间的热量和功交换完全可逆。
以下是几个常见的可逆热力学过程：
1.等温过程：系统与外界之间的温度保持恒定。
在等温过程中，系统与外界之间的热量交换完全可逆。
例如，理想气体的等温膨胀和等温压缩过程。
2.绝热过程：系统与外界之间没有热量交换。
在绝热过程中，系统只与外界进行功交换。
例如，理想气体的绝热膨胀和绝热压缩过程。
3.等压过程：系统与外界之间的压力保持恒定。
在等压过程中，系统与外界之间的热量和功交换完全可逆。
例如，气体在恒定压力下的加热和冷却过程。
4.等容过程：系统的体积保持恒定。
在等容过程中，系统与外界之间只进行热量交换。
例如，固定容器中的固体或液体的加热和冷却过程。
在可逆热力学过程中，系统与外界之间的能量转换是最有效的，能够最大程度地实现热力学效率。
可逆过程在理论研究和工程设计中具有重要的应用，用于建立理论模型和分析理想条件下的能量转换和传递过程。
然而，在实际系统中，完全可逆的过程是无法实现的，因为总会存在摩擦、传质损
失和热量不可逆性，这些都会导致能量的损失和系统效率的降低。
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。
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一条重要定律，它描述了自然界中热能传递的方向和过程的不可逆性。
热力学第二定律即卡诺定理，这一定律的发现不仅推动了热力学的发展，也在工程和科学研究中发挥着巨大的作用。
热力学第二定律的核心思想是热能的自发从高温系统向低温系统传递，而不会相反。
这个思想在日常生活中随处可见。
当我们将一杯热茶放置在桌子上，茶的温度逐渐降低，而不会变得更热。
这个过程是不可逆的，它符合热力学第二定律的要求。
热力学第二定律的原型是卡诺定理，它由法国工程师尼古拉·卡诺在19世纪初提出。
卡诺定理表达了理想热机的效率与工作温度之间的关系。
根据卡诺定理，任何机械热机的效率都不可能高于理论上的最大值，即卡诺热机的效率。
卡诺热机是一个在两个不同温度下工作的理想热机，其效率由工作温度之间的比值决定。
这种限制性的不可逆性是热力学第二定律的核心内容，也是热力学与统计物理学的重要区别之一。
事实上，热力学第二定律的发现引发了科学家们对宇宙中热能传递过程的深入研究。
他们发现，自然界中存在着一种名为熵的物理量，它代表了系统无序程度的度量。
根据熵的增加原理，自然倾向于朝着更高熵的方向演化，这就意味着热能应该自发地从高温系统传递到低温系统，而不会相反。
熵增加原理使热力学第二定律更加深入人心，在科学研究和工程设计中得到了广泛应用。
比如，通过了解热力学第二定律，我们可以最大限度地提高能源利用效率，减少能量的浪费。
这对于提升工业生产的效益和降低环境污染具有重要意义。
在工程中，通过设计有效的热回收系统，可以将废热转化为有用的能量，实现能量的再利用。
除了工程应用外，热力学第二定律在生物学中也有深远的影响。
生命系统本质上是开放的非平衡系统，需要从外部吸收能量来维持其复杂的结构和功能。
热力学第二定律为生物学家提供了理论基础，从微观角度解释了生命现象的发生。
通过深入理解热力学第二定律，科学家能够更好地探索生物体内能量转换的机制，从而拓宽我们对生命起源和演化的认识。
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)（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.若系统已处于平衡状态,则其中的任何过程一定是可逆的.五、克劳修斯不等式与熵增加原理不可逆过程中，熵的变化量大于热温商1. 某一过程发生后,体系的热温商小于过程的熵变，过程有可能进行不可逆过程2. 某一过程发生后，热温商等于熵变，则该过程是可逆过程3. 热温商大于熵变的过程是不可能发生的4. 热力学第二定律的数学表达式：5. 隔离系统中,(一个隔离系统的熵永不减少）6. 熵增加原理：7. 隔离系统中有： 【根据熵增加原理知,若从体系的熵值变化量判断过程一定是自发过程，那么该过程一定是隔离系统】六、 热力学基本方程式与T —S 图1. 热力学基本方程：2. 根据热二定律基本方程得： 可逆过程中有3. 绝热可逆过程：七、 熵变的计算1.等温过程中熵的变化值：（1)理想气体等温可逆变化：、、>0,过程可发生，且是绝热不可逆过程 =0,过程可发生，且是绝热可逆过程 <0,过程不可能发生(2）等温、等压可逆相变：I ：在标准压力下，任何物质之间的熔沸点之间的相变为可逆相变；II ：任意温度下,饱和蒸气压下的相变为可逆相变（3)理想气体等温、等压混合过程：八、熵和能量退降(系统中能量的一部分失去了做功的能力)1。
1可逆与不可逆过程-§2功与热量
图4.1 热力学的非平衡态过程
3、准静态过程
准静态过程是一个进行得无限缓慢，以至系统连续不断地 经历着一系列平衡态的过程。
一种理想的状态变化过程是，外界的状态参量每次只作一 微小变化，只有当系统达到平衡态后，外界才作下一个微小变化， 直到系统最后达到终态f(平衡态)。在状态图上表示就是如图中 从i-A-f这一系列点所联结成的实线。 ⑴准静态过程是一种理想过程。 准静态过程是不可能达到的理想过程，但我们可尽量趋近 它。对通常的实际过程而言，我们只要求准静态过程的状态变化 是足够缓慢，而缓慢是否足够的标准是驰豫时间。 下面举一例说明非准静态过程与准静态过程的区别。 例1：
⑵实际过程是如何实现准静态过程？
只要每次压强变化，且变化足够缓慢。当实际过程进 行得无限得缓慢时，各时刻的系统状态就无限地接近 平衡态，其过程就是准静态。 ⑶缓慢到什么程度？
“无限”是相对的。判断标准：以弛豫时间为标准。 当一个实际过程中，如果系统的状态发生一个可以被实 验查知的微小变化所需要的时间比弛豫时间长得多，那 么在其过程中的任何时刻进行观察时，系统都已有充分 时间，达到平衡态。这样的过程就当可以当成准静态过 程处理。
例题3：试判断如下过程是否是准静态过程。 （1）等温等压条件下，氧气，氮气互扩散。
氧气，氮气互扩散过程中所经历的任一中间状态，成分处
处不均匀，该系统不满足化学平衡条件。
（2）热量传递过程中，温度为T的固体与T0恒温热源接触， 且T< T0，热量源源不断地从热源输入到固体中，最后固体温度 也变为T0。该过程是否是准静态过程。
引入一个新的物理量，利用这个物理量就可判断任一实际过程是
否满足准静态的条件，这个物理量就是弛豫时间。 *§4.1.2 弛豫时间(relaxation time)
热力学第二定律热能的不可逆性
热力学第二定律热能的不可逆性热力学第二定律是热力学中的核心原理之一，它揭示了自然界中存在的不可逆性过程。
在本文中，我们将通过对热力学第二定律的解释和实例分析，探讨热能不可逆性的原因和影响。
热力学第二定律的表述之一是卡诺定理，即所有工作在相同温度下的卡诺循环具有相同效率。
这意味着没有任何热机可以达到100%的效率，总会有一部分热能被浪费掉。
这是因为热力学第二定律指出，从高温到低温的热能传递过程中，热量永远不能完全转化为有效的可用能量。
不可逆性的主要原因在于熵的增加。
熵是热力学中衡量系统混乱程度的物理量，根据热力学第二定律，自然界的熵总是趋于增加。
在一个封闭系统中，熵的增加意味着能量的不可逆流动。
比如，在一个机械设备中，能量从热源转移到工作物体，然后以废热的形式散发出去。
在这个过程中，热能被不可逆地转化为废热能，无法再回转为有用的能量。
热力学第二定律的不可逆性对于能源转换和能量利用具有重要意义。
无论是传统燃烧发电还是新能源技术，都无法避免能量的不可逆损失。
以燃煤发电为例，煤炭的能量在燃烧过程中转化为热能，然后通过热机转化为机械能，最后再转化为电能。
然而，在这个过程中，能量的转化总是伴随着热能的损失，进而导致功率损耗和效率下降。
另一个常见的例子是汽车的能量转换过程。
汽车的能源来自于燃油，在发动机中燃烧产生的热能被转化为机械能，使得汽车得以运行。
然而，在这个过程中，热能的不可逆性导致一部分能量以废热的形式散失，造成燃油的浪费和环境污染。
除了对能源转换的影响，热力学第二定律的不可逆性还在日常生活中产生重要影响。
例如，我们通常会发觉热水杯中的热水会逐渐冷却下来，而不会发生相反的热传递过程。
这是因为热会自然地流向冷的物体，而无法自发地从冷物体流向热物体。
这一现象正是热力学第二定律不可逆性的体现。
总结起来，热力学第二定律揭示了热能不可逆性的存在并提供了数学表达。
从熵的角度看，不可逆性与熵的增加有关，熵的增加导致热能不可逆转化为废热。
热力学第二定律热量的不可逆性
热力学第二定律热量的不可逆性热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它探讨了热量传递的不可逆性。
本文将详细阐述热力学第二定律以及热量不可逆性的概念和原因。
热力学第二定律是热力学中的基本定律之一，它描述了自然界中热量的传递方向和过程是否可逆。
简而言之，热力学第二定律指出，热量自然地从高温物体流向低温物体，而不会自发地从低温物体流向高温物体。
这个过程是不可逆的，无法逆转。
为了更好地理解热力学第二定律的不可逆性，我们需要从熵的角度来解释。
熵是热力学的基本概念之一，它描述了系统的无序程度。
根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵总是趋向于增加，而不会减少。
这意味着在任何热力学过程中，系统的熵变总是大于等于零。
为了更直观地理解热力学第二定律的不可逆性，我们可以通过一个著名的例子来说明：摩擦产生的热量。
当两个物体之间发生摩擦时，会产生热量。
根据热力学第二定律，这种热量一定会从摩擦物体传递到其他物体，但不会自发地从其他物体传递回摩擦物体。
这是因为热量的传递是由温度差驱动的，而摩擦物体产生的热量使其温度升高，从而导致温度差减小，使得热量无法自发地回流。
另一个例子是热机的工作过程。
热机是将热量转化为机械能的装置。
根据热力学第二定律，任何实际的热机都无法实现100%的热能转化为机械能，总会有一部分热能以热量的形式排放到环境中。
这是因为热机工作过程中发生的热量传递是不可逆的，无法完全转化为有用的机械能。
热力学第二定律的不可逆性是由能量守恒和熵增原理共同支持的。
能量守恒原理指出，在任何封闭系统中，能量的总量是恒定的，不会凭空产生或者消失。
熵增原理则指出，系统的熵总是趋向于增加，自发地趋向于无序。
这两个原理共同揭示了热力学第二定律的不可逆性。
总结起来，热力学第二定律指出了热量传递的不可逆性，即热量自然地从高温物体流向低温物体，而不会反向传递。
这种不可逆性是由热力学中的熵增和能量守恒原理所决定的。
我们可以通过摩擦产生的热量和热机的工作过程来直观地理解热力学第二定律的不可逆性。
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热力学过程的可逆性和不可逆性热力学是研究能量转化与它们之间关系的物理学分支。
在热力学中，过程的可逆性和不可逆性是两个关键概念。
可逆过程是指系统在任何
时候都可以沿相反方向回到初始状态的过程，而不可逆过程则是指系
统无法沿相反方向恢复到初始状态的过程。
1. 可逆过程的特点
可逆过程具有以下几个特点：
a. 宏观观察上无摩擦损失和能量损失，所有能量都能完全转化，并
且不会对外界产生熵增加；
b. 过程中系统与环境间始终处于热平衡状态，温度差为零；
c. 系统内部无温度、浓度等的不均匀度差异；
d. 过程发生于系统与环境之间，无扩散或调和带来的非平衡状态。
2. 不可逆过程的特点
不可逆过程与可逆过程相反，具有以下特点：
a. 存在能量的耗散和损失现象，因此不可逆过程总是与摩擦、流体
粘滞或传热阻力有关；
b. 温度差不为零，系统与环境无法保持热平衡；
c. 系统内部存在温度、浓度等的不均匀度差异；
d. 过程发生在系统内部，与环境之间，造成系统与环境之间的熵增加。
3. 可逆过程与不可逆过程的比较
可逆过程与不可逆过程具有显著的差异。
可逆过程是理想情况下的
过程，它忽略了现实世界中存在的各种不完美。
而不可逆过程则是现
实中普遍发生的过程，在自然界和工程实践中广泛存在。
在热力学的应用中，可逆过程用于理想化系统的分析和计算，而不
可逆过程则更贴近实际系统的行为。
可逆过程被用于构建理想的热力
学模型和理论，而不可逆过程则用于深入了解和分析真实系统中存在
的能量转化和耗散现象。
4. 环境对过程的影响
过程的可逆性或不可逆性与环境条件密切相关。
在理想状态下，在
恒温、无粘滞、无扩散等条件下，可逆过程才能被实现。
而实际情况下，系统总是受到外界环境的影响，不可逆性因此成为常态。
另外，过程的时间尺度也可能会对可逆性和不可逆性产生显著影响。
某些过程在短时间内可能是不可逆的，但在较长时间尺度上则可以近
似为可逆过程。
这种情况下，可逆过程和不可逆过程之间的分界线并
不是绝对的。
总结起来，热力学过程的可逆性和不可逆性是研究过程能量转化和
系统行为的重要概念。
可逆过程是理想状态下的模型，忽略了摩擦、
能量损失等现实中不完美的情况。
而不可逆过程更贴近实际，与摩擦、
能量耗散等现象密切相关。
通过研究这两种过程，可以更好地理解自然界和工程实践中的能量转化和耗散现象，为能量利用和系统优化提供指导。