热力学第二定律分解.doc

第二章 热力学第二定律 §2.1 热力学第二定律 2.1.1 自发过程 1、物质自发变化过程的方向与限度——自发过程 A、温度不同的两个物体相互接触 热总是从高温物体传到低温物体，直到两物体温度相等达到平稳为止。相反，热不会自动从低温物体传给高温物体，使温差增大。 B、气箱中充有压力不等的空气，抽去隔板 空气必定从压力大的左边向压力小的右边扩散，直到整个气箱中压力相等达到平稳为止。相反，空气不会自动地从低压向高压方向移动，使压力差增大。 C、水总是自发的从高处向低处流动，直到各处的水位相等。相反，水绝不会自动倒流。 D、锌片投入硫酸铜溶液中，自动地发生置换反应，生成Cu和ZnSO4。相反，其逆过程是不会自动发生。 ………… 以上实例说明：自然界中自动发生的过程是自然地朝着一定方向变化而趋向平衡。 我们称为自发过程：不依靠外力，仍其自然，即可自动发生的过程。 结论：一切自发过程都有方向性和限度。 2、自发过程特点 局限性：热力学不可逆性（过程）(单向，趋向平衡) 区别于不可能倒着来（以上过程均可以倒着来进行，但环境必须对系统做功。） 3、自发过程的热力学不可逆性——不可逆过程 Ex1. 理想气体的真空膨胀（恒温槽中），自发过程。 （1）过程L：W=0、△T=0、△U=0、Q=0；环境没有变化； 系统：若要使系统复原，我们可以对系统进行等温可逆压缩L`，使系统回复到始态。 （2）过程L`：环境对系统做功W，由热力学第一定律：0=△U=Q +W ∴ Q= -W 系统散失了热Q。 环境：损失了功- W、得到了热-Q，总能量不变。 （3）系统经真空膨胀L和等温可逆压缩过程L`的循环后： 系统：回复到始态 环境：损失了功W、得到了热-Q，总能量不变。 要使环境也复原，就要： 从环境（单一热源）中取出热-Q，全部转变为功W，而不留下任何痕迹（即不引起其他变化）。 ——是不可能的。 ∴理想气体的真空自由膨胀是热力学不可逆过程。 Ex2.高温物体自发传热给低温物体 自发过程 高温物体T1（环境）传给低温物体T2（系统）热量Q1??达到平衡。要使系统复原，就必须用——冷冻机从低温物体中取出热Q1，把它送到高温物体中去。但开动冷冻机必须消耗电功W，循环一周后，环境得到了热Q2，且Q2 =Q1 +W，即环境的热量增加。 环境：损失了功W、得到了热-Q，总能量不变。 要使环境也复原，就要： 从环境中取出热-Q，全部转变为功W，而不留下任何痕迹（即不引起其他变化）。 ——是不可能的。 结论：一切自发过程都是热力学不可逆过程! 2.1.2 热力学第二定律的经典表述 1、开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为功，而不留下其他影响。 『“第二类永动机是不可能的” 』 2、克劳休斯说法：不可能把热由低温物体转移到高温物体，而不留下其他影响。 3、第三种说法：一切自发过程都是热力学不可逆过程。 §2.2 卡诺循环 (carnot cycle) 2.2.1 卡诺循环过程 1、卡诺循环 1824年，法国工程师卡诺（N.L.S.Carnot，1796~1832）设计的热机（把热转化为功的机器）的工作原理。 2、气体工质：理想气体 3、循环过程——四步可逆过程构成： →等温可逆膨胀 →绝热可逆膨胀 →等温可逆压缩 →绝热可逆压缩 经循环后，气体回复到始态。 4、热机效率： 2.2.2 卡诺循环的热和功 1、过程AB：等温可逆膨胀 2、过程BC ：绝热可逆膨胀Q=0 3、CD：等温可逆压缩 4、DA ：绝热可逆压缩Q=0 综上， 由得，。 5、热机效率 结论：理想气体卡诺热机的热机效率η只与两个热源的温度(T1，T2）有关，温差愈大，η愈大。 讨论η： （1）ηmax＜1 若，则T2=0。事实上，是不可能的。原因如下： a、绝对0K的热源是不存在的； b、只有单一热源，是不可能用来作功的。 所以：η永远小于1。且卡诺热机(一切可逆循环热机)的热机效率最大。 （2）η↗的方法： a、T1↗充分燃烧； b、T2↘ 汽车