热学第二定律1.ppt

大学热学基础 第三章 热力学第二定律 下页 热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互 转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程 进行的方向。观察与实验表明，自然界中一切 与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，或者 说是有方向性的。例如，热量可以从高温物体 自动地传给低温物体，但是却不能从低温传到 高温。对这类问题的解释需要一个独立于热力 学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定 律。为此，首先介绍可逆过程和不可逆过程的 概念。 前 言 上页 下页 3-1 可逆过程和不可逆过程 ? 广义定义：假设所考虑的系统由一个状态出发 经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个 过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回 到原来状态，同时原过程对外界引起的一切影 响）则原来的过程称为可逆过程；反之，如果 用任何曲折复杂的方法都不能使系统和外界完 全复员，则称为不可逆过程。 ? 狭义定义：一个给定的过程，若其每一步都能 借外界条件的无穷小变化而反向进行，则称此 过程为可逆过程。 上页 下页 – 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。因为，实际过程都是以有限的速 度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗 散因素，必然是不可逆的。 ? 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。例如： 上页 下页 – 理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板 被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一 种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个 容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态 回到非平衡态的过程不可能自动发生。 ? 不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程 逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将 原来正过程的痕迹完全消除。 – 热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由 高温物体传向低温物体，从而使两物体温度 相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使 两物体温差增大。 上页 下页 3-2 热力学的二定律 不可逆过程的相互关联 热力学第二定律是一条经验定律，因此有许多 叙述方法。最早提出并作为标准表述的是 1850 年克劳修斯提出的克劳修斯表述和 1851 年开尔 文提出的开尔文表述。 ? 热力学的二定律的表述 上页 下页 – 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他变化。 与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物 体相互接触时，热量将由高温物体向低温物体 传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物 体。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温 传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是 引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是 不可逆的。 上页 下页 – 开尔文表述： 不可能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。 与相 应的经验事实是，功可以完全变热，但要把热 完全变为功而不产生其他影响是不可能的。如， 利用热机，但实际中热机的循环除了热变功外， 还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源， 即产生了其它效果。热全部变为功的过程也是 有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程 中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还 引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积 增大了。 克氏表述指明热传导过程是不可逆的。 开氏表述指明功变热的过程是不可逆的。 上页 下页 ? 不可逆过程是相互关联的 自然界中各种不可逆过程都是相互关联的。意 即一种宏观过程的不可逆性保证了另一种过程 的不可逆性；反之，若一种实际过程的不可逆 性消失了，其它实际过程的不可逆性也随之消 失。 下面举例并以反证法证之。 上页 下页 – 由功变热过程的不可逆性推断热传导过程