热力学定理formath.PPTVIP

* 第22章 热力学第二定理 22.1 自然过程的方向 22.2 热力学第二定律 卡诺定理 22.3 克劳修斯熵 22.4 热力学概率 22.5 玻尔兹曼熵 22.6 *熵概念的拓展 热力学第一定律说明一切热力学过程中能量必须守恒。 满足能量守恒的过程是否都能实现? 能不能制造效率为100%的机器? 实践证明,一切实际的热力学过程只能按一定的方向进行,不可反向! 热力学第二定律总结出关于这一方向性的规律。 22.1 自然过程的方向 一、热力学过程的方向性 引言：凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？这是热二律要回答的问题。 功热转换的方向性 功 热 功 热 高温 低温 热传导的方向性 自动 自 动 气体的绝热自由膨胀 密度大 密度小 密度大 密度小 注意：这里的方向性，是指它们存在一个自动的、 无条件的、自发的、勿须外界帮助而进行 的方向。并不是其反方向不能实现，只是 实现其反方向过程要产生“对外影响”。 结论：一切与热现象有关的实际过程的进行都具有方向性。 定义：对于一个系统的一个过程（A—B），若存在另一过程（B--A），它能使系统和外界完全复原（系统回到初态，同时消除了原过程对外界引起的影响），则此过程称为可逆过程。 反之：如果用任何方法都不能使外界与系统复原，则此过程称为不可逆过程。 例1）不计阻力的单摆运动 单纯的无耗散的机械运动是可逆过程。 二、可逆过程与不可逆过程 例2）功、热的转换---非可逆过程 功变热可以百分之百，而热转变为功将产生对外影响---向低温热源传递热量。 例3）气体在真空中的自由膨胀：非可逆过程 要收缩到原状需外界作功。 例4）无摩擦的准静态过程是可逆过程 1）一切自发(实际)过程都是不可逆过程。 2）准平衡过程+无磨擦的过程是可逆过程。 p1 A1 p2 A2 密度小 结论： 密度大 （过程“无限缓慢”） 各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互依存的,一种实际过程的不可逆性保证了另一种实际过程的不可逆性，一种过程的不可逆性消失了，另一种过程的不可逆性也就消失了。 例：热变功 热传导 假设，热可以自动全部转变成功，这将导致热可以自动 从低温物体传向高温物体。 热机 高温热源（T1） 低温热源（T2） Q1 Q1+Q2 热机 高温热源（T2） 低温热源（T1） Q2 Q2 Q2 A 三、不可逆性的相互依存 假设，热可以自动从低温物体传向高温物体， 这将导致热可以自动全部转变成功。 Q1 Q1 热机 高温热源（T1） 低温热源（T2） A Q1-Q2 热机 低温热源（T2） Q1 Q2 A=Q1-Q2 说明所有宏观过程的不可逆性都是互相联系的。 22.2 热力学第二定理 一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的。 宏观过程的方向性 自然宏观过程按一定方向进行的规律就是热力学第二定律。 1) 在1850年克劳修斯的表述(Clausius): 热量不能自动地从低温物体传向高温物体 高温热源（T2） 低温热源（T1） 一、热力学第二定律的表述 3.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） 关键词：“自动”。电冰箱将热量从低温物体传到高温物体时，需要外接对低温物体作功。 例：电冰箱 注意理解： 2.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。 1.克劳修斯从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和限度。 2) 在1851年开尔文的表述 其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能的。 或者说：单热源热机不可能制成。 单一热源（T） 热机 2.热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功 注意理解： 例：理想气体等温膨胀 其他影响：系统和外界变化了 不违反热力学第二定律 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 1.开尔文从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度。 3.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 4.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 3) 两种表述的等效性 正定理：如果 K 成立，C 一定成立 逆定理：如果 C 成立，K 一定成立 否定理：如果 K 不成立，C 一定不成立 逆否定理：如果 C 不成立，K 一定不成立 用反证法证明后两项 ①如果 K不成立，则存在单热源热机，建立如图联合循环: 热自动低温传向高温，且无其它影响，故C 不成立 总效果： 系统从低温热源