第三章 热力学第二定律

不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化第三章热力学第二定律第三章热力学第二定律1、阐明热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述。论证两种表述的一致性。2、介绍可逆过程、不可逆过程的概念。3、介绍卡诺定理，并根据热力学第一、二定律加以证明。4、热力学温标。5、由克劳修斯等式引出态函数熵。介绍热力学第二定律的数学表达式。由克劳修斯不等式推证熵增加原理。热力学第二定律的文字表述引入熵以及热力学第二定律的数学表示能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势问题：自发过程的方向由什么因素决定？自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热热力学第一定律有两方面的问题没有涉及到：其一、热力学第一定律强调的是能量在数量上的守恒，没有考虑到不同类型能量在作功能力上的差别。其二、热力学第一定律不能判断热力学过程的方向性。事实表明任何热力学过程都具有方向性——可以自发进行的热力学过程，而其反向过程则不能自发进行。热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律指出了不同形式能量间的互相转化和传递所具有的条件性和方向性,§1热力学第二律的表述与实质热功转换传热热二律的表述有60-70种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吸取热量，使之完全转变为有用的功而不产生其它影响。热机是把热转变成了功,但有了其它变化(热量从高温热源传给了低温热源).理想气体等温膨胀过程是把热全部变成了功,但伴随了其它变化(体积膨胀).热机必须循环动作，这就至少要有两个温度不同的热源。单一热源（T1）吸热的循环??121111－－VTVT但此绝热压缩是不能实现的,因为它不满足绝热方程：（绝热线比等温线更陡）若是从单一热源（T1）吸热的循环，必由一等温膨胀过程和一绝热压缩过程构成，PVT112Q1等温吸热绝热压缩?但违反了热力学第二定律第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的开尔文表述的另一说法是（结合热机）:第二类永动机(又称单热源热机,其效率=1,即热量全部转变成功)是不可能制成的.环境是个大热源第二类永动机???如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低5C，发电能力可提高11.7倍。设水位差为180米重力势能转化为电能：1800[]EmghmJmkg水降低5C放热：21000[]QcmtmJ2100011.71800QmEm第二类永动机???单热源热机水面制冷系统耗功水发电机蒸汽克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功两种表述的关系开尔文－普朗克表述完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!!!证明1、违反开尔文表述导致违反克劳修斯表述Q1’=Aa+Q2’反证法：假定违反开尔文表述热机a从单热源吸热全部作功Q1=Aa用热机a带动可逆制冷机b取绝对值Q1’-Q2’=Aa=Q1Q1’-Q1=Q2’违反克劳修斯表述T1热源ab冷源T2T1Q2’Q1’AaQ1证明2、违反克劳修斯表述导致违反开尔文表述Aa=Q1-Q2反证法：假定违反克劳修斯表述Q2热量无偿从冷源送到热源假定热机a从热源吸热Q1冷源无变化从热源吸收Q1-Q2全变成功Aa违反开尔文表述T1热源a冷源T2T1Q2Q2AaQ1Q2对外作功Aa对冷源放热Q2注意1热力学第二定律是大量实验和经验的总结.3热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性.2热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性.§2热现象过程的不可逆性可逆过程:在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程.准静态无摩擦过程为可逆过程非准静态过程为不可逆过程.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.准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程.可逆过程的条件卡诺循环是可逆循环。可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温热传导。在热现象中，这只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导热功转换完全功不完全热自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.热力学第二定律的实质无序有序自发非均匀、非平衡均匀、平衡自发根据热力学第二定律，判断下列说法正确的是A、热可以从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体；B、功可以全部变为热，但热不能全部变为功；C、不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程；D、一切与热有关的自发过程都是不可逆的。“理想气体和单一热源接触作等温膨胀时，吸收的热量全部用来对外作功．”对此说法，有如下几种评论，哪种是正确的？(A)不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律．(B)不违反热力学第二定律，但违反热力学第一定律．(C)不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律．(D)违反热力学第一定律，也违反热力学第二定律．［］有下列几种说法（1）可逆过程一定是平衡过程；（2）平衡过程一定是可逆过程；（3）不可逆过程一定是非平衡过程；（4）凡有摩擦的过程，一定是不可逆过程。其中正确的是：A、（1）、（2）、（3）B、（2）、（3）、（4）C、（1）、（3）、（4）D、（1）、（4）利用热力学第二定律的两种表述判别可逆、不可逆一、自由膨胀是不可逆的气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生（一）由功变热的不可逆性证明自由膨胀的不可逆由功变热的不可逆性证明自由膨胀的不可逆（2）根据假设气体可以自动压缩而不产生对外影响，所以膨胀后的气体可自动回复原状态（1）假设自由膨胀是可逆的，使气体与热源接触保持温度不变，气体从热源吸热等温膨胀，有（3）结论：产生的唯一效果：自单一热源吸热全部用来对外作功而没有其它影响。与功变热是不可逆的事实和观点相违背。所以假设不成立。AQ（二）由自由膨胀的不可逆证明功变热的不可逆性（1）假设功变热是可逆的，热机a从热源T处吸收热量Q全部转化为有用功（2）热机a推动活塞压缩气体，同时使气体与热源接触保持温度不变，气体向热源放热为（3）结论：气缸内气体可以自动收缩而不产生对外影响，即自由膨胀是可逆的，与自由膨胀不可逆的前提相悖，所以假设不成立。AQQAQ'二、扩散是不可逆的（一）由功变热的不可逆性证明扩散的不可逆（1）假设扩散过程可逆（2）如图所示装置。α膜：只能A分子通过；β膜：只能B分子通过（3）α膜和β膜置于容器中间，让气体与热源接触并保持不变，有：（4）由于混合气体A、B可以自动分开而不产生对外影响，α膜和β膜可以自动回到容器中间。（5）结论：系统从单一热源吸热全部用来对外作功而没有其它影响。与功变热是不可逆的事实和观点相违背。所以假设不成立。WQ2课后思考：由扩散的不可逆证明功变热的不可逆性1.下列过程是否可逆？为什么？（1）在恒温下加热使水蒸发。（2）由外界做功，设法使水在恒温下蒸发。（3）通过活塞（设活塞与容器器壁间无摩擦）缓慢地压缩容器中的空气。（4）在体积不变的情况下加热容器内的空气，使其温度由T1升到T2.（5）在一绝热容器内，不同温度的两种液体混合。（6）高速行驶的卡车突然刹车停止。2.下列说法是否正确？⑴气体膨胀时一定对外作功。⑵气体被压缩时一定消耗外功。