[工学]19-4热力学第二定律.ppt

同学们好！ * ? 以燃料电池为代表的氢能利用似乎成为人类摆脱石油依赖的希望…在21世纪上半叶燃料电池技术带来的冲击，将相当于20世纪内燃机淘汰蒸汽机带来的冲击…未来的经济建立在氢能的基础上，故称之为氢经济。 －－摘自《遥望氢时代》 §20.4 热力学第二定律 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.热力学第二定律的两种典型表述及其等效性 开尔文勋爵 （W.汤姆孙） 英国 1824－1907 R.克劳修斯 德国 1822－1888 1.开尔文表述 （K) 从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度: * 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。 * 唯一效果是热 功的过程是不可能实现的。 或： * 单热源热机是不可能制成的 T Q A * *违反热力学第二定律，是不可能实现的。 巨轮不断吸收海水，提取其内能，将其变成冰块，再抛入海中。就可以持续航行了。 注意理解以下四点： 违反热力学第二定律 不耗能，只做功 违反热力学第一定律 （1）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： 练习 热力学第一定律表明： 1.系统对外做功不可能大于系统从外界吸热； 2.系统内能增量一定等于系统从外界吸热； 3.不可能存在这样的循环，在其循环过程中外界对系统做的功不等于系统传给外界的热量； 4.热机效率不可能等于1。 答案：3 热力学第二定律表明： 1.系统对外做功不可能大于系统从外界吸热； 2.系统内能增量一定等于系统从外界吸热； 3.不可能存在这样的循环，在其循环过程中外界对系统做的功不等于系统传给外界的热量； 4.热机效率不可能等于1。 答案：4 练习 （2）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 （3）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 （4） 热力学第二定律与能源危机 随着其使用过程，能量再做功的能力下降，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. 克劳修斯表述 （C ) 从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换 的方向和限度： * 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。 或： * 第二类永动机是不可能成功的。 * Q A=0 Q 注意理解以下两点： （2）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） （1）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. 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， 无其它影响，故 C 不成立 总效果： 2）如果 C 不成立，则存在 A=0 的致冷机， 建立如图联合循环 总效果： 无其它影响，故 K 不成立。 由 1）， 2）， C、K 两种表述等效。 4. 热力学第二定律表述的多样性 凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的 过程都可以作为热力学第二定律的一种表述， 而且彼此等效。 K， C 为 两种标准表述 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。 历史上最早提出 练习：判断正误 （1） 热量不能从低温物体传向高温物体 （2） 热不能全部转变为功 × × *不引起其它变化 二. 热力学第二定律的实质 1.可逆过程和不可逆过程 定义： 设系统经历 过程 为可逆过程 为不可逆过程 例： 理想气体等温膨胀的可逆性分析 （1） 无摩擦，准静态进行 （2） 有摩擦，准静态进行 （3） 无摩擦，非静态进行 （1） 无摩擦，准静态进行 正向 逆向 总效果 外界与系统均复原 原过程为可逆过程 T T （2）有摩擦，准静态进行 正向 （体积功） （摩擦功） (0) (0) 逆向 ( 0) (0) 由热力学第二定律，不能使内能（热）完全转变为功 而不产生其它影响，外界不能复原。 原过程不可逆 造成不可逆的原因：存在摩擦 （3）无摩擦，非静态进行 正向（快提