中国民航大学 大学物理学 第12章 热力学第二定律.ppt

* * 热力学第一定律要求：在一切热力学过程中，能量一定守恒。但是，满足能量守恒 不违反热力学第一定律 的过程是否一定都能自发地进行？ 自然界中宏观的自发过程具有确定的方向性,满足能量守恒的过程不一定都能自发地进行。 问题的提出 热力学第二定律：揭示自然界过程进行的方向，能量 转换的方向和限制。 §12-1 自然过程的方向性 §12-2 热力学第二定律 §12-3 卡诺定理 §12-4 热力学第二定律的统计意义 §12-5 熵 熵增加原理 1 可逆过程与不可逆过程 设在某一过程 L 中，系统从状态 A 变化到状态B 。如果能使系统从状态 B 逆向回复到初状态 A ，而同时外界也恢复原状，过程 L 就称为可逆过程。 如果系统不能回复到原状态 A ，或者虽然能回复到初态 A ，但外界不能恢复原状，那么过程 L 称为不可逆过程。 2.1 功热转换的方向性 功?热：重物下落，功全部转变 成热，并且不引起其它任何变 化。过程能自发进行。 热?功：水温降低，产生水流，推 动叶片转动，提升重物，而不引起 其它任何变化。过程不能自发进行。 功热转换具有确定的方向性，过程是不可逆的。 水 2. 自然过程的方向性 有限温差的两个物体相接触，热量 总是自发由高温物体传向低温物体。相 反过程不会自发进行。 高温热库T1 低温热库T2 A Q1 Q2 工质 2.热传导的方向性 当然，用致冷机可把热量由低温物体传向高温物体。但外界必须对工质做功，这引起了其它效果。 有限温差热传导具有确定的方向性，过程是不可逆的 3.气体的绝热自由膨胀的方向性 气体向真空中绝热自由膨胀的过程具有确定方向，不可逆 非平衡态 平衡态 非平衡态?平衡态：可以自发进行 平衡态?非平衡态：不能自发进行气体不能自发压缩 墨水扩散是一个不可逆过程 泼水难收 破镜难圆 楼倒塌是一个不可逆过程 逝者如斯 生米煮成熟饭 生命过程是一个不可逆过程 总结：实际宏观过程都涉及热功转换、热传导和非平衡态向平衡态的转化。所以，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。 热力学第二定律的实质的实质在于指出：与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程！ 1851年由开尔文勋爵 William Thomson 总结，揭示了自然界普遍存在的功转化为热 的不可逆性。 1850年由克劳修斯总结，揭示了 自然界普遍存在的热传递的不可逆性。 克劳修斯表述 开尔文表述 开尔文表述与克劳修斯表述是热力学第二定律最早的表述形式，因而它是热二律的经典表述形式。 1.热力学第二定律的两种典型表述 1.热力学第二定律的两种典型表述 1.1 开尔文表达 1851 不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。 这一叙述的含义是：热自发的全部转化为功是不可能的。 热机效率： 1, 热力学第一定律与热力学第二定律的比较 拓展： 2,热二律开尔文表述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 3,热力学第二定律与能源危机 热力学第一定律：能量转换并守恒，何来能源危机？ 热力学第二定律：能量做功的能力下降，能量品质下降。 η 100% 违反热力学第二定律 违反热力学第一定律 η 100% 第一类永动机 第二类永动机 从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限制 1.2 克劳修斯表达 1850 热量不可能从低温物体传给高温物体而不引起其它变化。 这一叙述的含义是：热自发的由低温物体传到高温物体是不可能的。 要使热量从低温物体传给高温物体，必须有外界　做功。即致冷机的致冷系数不可能无限大。 A Q2 Q1 E T1 T2 热二律Clausius 表述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） 热二律Clausius 表述并不意味着热量不能从低温 物体传到高温物体，而是说不能自动的从低温物体 传到高温物体 例：电冰箱 凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程的确切叙述，都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等价。 Kelvin 表述和 Clausius 表述是等价。 2.热二律表述的多样性 等价性 两种表述的等价性 2.1 如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立 Q2 Q1+Q2 E A Q1 E Q1 高温热源T1 低温热源T2 Q2 Q2 高温热源T1 低温热源T2 2.2 如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立 Q2 A Q1-Q2 Q2 Q1 E 高温热源T1 低温热源T2 A Q1-Q2 E Q1-Q2 高温热源T1 低温热源T2 [例] 试证明：对于任何工作物质，（1）一条等温线不可能与一条绝热线相交两点；（2）两条绝热线不可能相交。 证：（1）用反证法：假设一条等温线与一条等温线相交两点 a 和