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* 大学物理学电子教案 热力学第二定律与熵 5-6 热力学第二定律和卡诺定理 5-7 热力学第二定律的统计意义 熵 §5-6 热力学第二定律和卡诺定理 热力学第一定律：能量转换和守恒定律 凡违反热力学第一定律的过程不可能发生。 ——第一类永动机不可能成功！ 是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？ 功热转换 热传导 扩散 …... 能量转换有一定方向和限度 热力学第二定律：描述自然界能量转换的方向和限度。 用否定形式表述 表述方式多样 反证法 统计意义 …... 特征 一、可逆过程和不可逆过程 1、引入： 热传递： 正过程——热量从高温物体→低温物体，成立 逆过程——热量从低温物体→高温物体，不成立 热力学的过程是有方向的。 2、定义： 在系统状态的变化过程中，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恢复原来的状态（即系统回到原来状态，同时原过程对外界引起的一切影响） 3、可逆过程的条件 过程要无限缓慢地进行，即属于准静态过程； 过程无耗散（没有摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功）。即只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能是可逆的。 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： 理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。 热传导过程是不可逆的。 则这样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 和外界完全恢复原来的状态，称为不可逆过程。 实例：生命过程是不可逆的： 出生 ? 童年 ? 少年 ? 青年 ? 中年 ? 老年 ? 八宝山 不可逆！ 流行歌曲： “今天的你我怎能重复昨天的故事!” 开尔文（W. Thomson，1824-1907），原名汤姆孙，英国物理学家，热力学的奠基人之一。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、电磁学、波动和涡流等方面卓有贡献，1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他，国际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名。 1. 热力学第二定律的开尔文表述（ 1851）： 不可能制造出一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量,使之完全变为有用功,而外界不发生任何变化。 二、热力学第二定律 从热功转换角度说明能量转换的方向和限度: 第二类永动机不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律，因而也是不可能造成的。 另一表述： 第二类永动机（从单一热源吸热并全部变为功的热机,效率可以达到100% ）是不可能实现的。 注意理解： ? 热力学第一定律和第二定律是互相独立的。 比较： 第一类永动机： 第二类永动机： 不耗能，只做功 违反热力学第一定律 违反热力学第二定律 ?热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功 关键词：“无其它影响” 热完全转变为功，而且系统和外界均复原是不可能的。 例：理想气体等温膨胀 不违反热力学第二定律 ?热力学第二定律指出了热功转换的方向性 功 自发 热 100 % 转换 热 非自发 功 不能 100% 转换 ? 热力学第二定律与能源危机 能量做功的能力下降，能量品质下降。 热力学第二定律： 热力学第一定律： 能量转换并守恒，何来能源危机？ 2. 热力学第二定律的克劳修斯表述（ 1850）： 不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引起其他变化。 从热传导角度说明能量转换的方向和限度 克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-1888），德国物理学家，对热力学理论有杰出的贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述和 熵的概念，并得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动理论创始人之一，提出统计概念和自由程概念，导出平均自由程公式和气体压强公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的气体物态方程。 注意理解： ?热力学第二定律指出了热传导方向性： 高温 自动 低温 低温 非自动 高温 （外界做功） ?热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体 关键词：“自动” 即热量从低温物体传到高温物体不能自发进行，不产生其它影响。 例：电冰箱 3、热力学第二定律两种描述的等价性 开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，二者在表述实际宏观过程的不可逆性这一点上是等价的。即一种说法是正确的，另一种说法也必然正确；如果一种说法是不成立的，则另一种说法也必然不成立。可用反证法证明。 (1) 开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立 无其它影响，故克劳修斯说法不成立 总效果： (2) 克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立 总效果： 4、关于热力学第二定律的说明 (1) 热力学第一定律是守恒定律。热力学第二定律则指出，符合第一定律的过程并不一