第24 讲 热力学第二定律 卡诺定理 克劳修斯熵 热力学第二 ....pdf

第24讲热力学第二定律卡诺定理

克劳修斯熵热力学第二定律的统计意义

教学要求：

了解熵增和热寂。理解可逆过程与不可逆过程、卡诺定理。掌握并应用热力学第二定律。

重点与难点：

重点：热力学第二定律。

难点：可逆过程。

8.6热力学第二定律

热力学第一定律指出了热力学过程中的能量守恒关系。但人们在研究热机工作原理时发

现，满足能量守恒的热力学过程不一定都能进行。实际的热力学过程都只能按一定的方向进

行，而热力学第一定律并没有阐述系统变化进行的方向。热力学第二定律就是关于自然过程

方向性的规律。

8.6.1开尔文表述

热力学第一定律表明违背能量守恒定律的第一类永动机不可能制成。那么如何在不违背

WQ2

热力学第一定律的条件下，尽可能地提高热机效率呢？分析热机效率公式1

Q1Q1

表明，只有在Q20，只不需要低温热源，只存在

一个单一温度的热源，这个热机能达到最大的效率

100%。如图8-18所示为100%的热机工作

示意图。这就是说，如果在一个循环中，只从单一热

源吸收热量，并使之全部转化为机械功（这不违背能

量守恒定律），循环效率可达到100％，这个结论是图8-18100%热机工作示意图

非常引人关注的。有人计算过，如果单一热源热机可以实现，使它从海水这一单一热源吸热

而完全变为有用功，那么海水的温度只要降低0.01K，所做的功就可供全世界所有工厂一千

多年之用！

然而长期实践表明，循环效率达100％的热机虽然没有违反热力学第一定律，但是却不

能制造出来，这表示自然界有些过程虽然没有违背能量守恒定律，但是它仍然不可能实现。

1

在这个基础上，开尔文在1851年，提出了一条重要规律，称为热力学第二定律。这一定律

表述为：不可能制成一种循环动作的热机，它只从一个单一温度的热源吸取热量，并使其全

部变为有用功，而不引起其它变化。此即热力学第二定律的开尔文表述。

在开尔文表述中“循环动作”、“单一热源”、“不引起其它变化”是三个关键条件。若

不满足“循环动作”，“不引起其它变化”，那么如气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒

温热源吸收的热量就可以全部用来对外做功。但显然该过程不是循环动作的热机，而且又产

生了其它变化，如气体的压强和体积的变化。“单一热源”是指温度均匀并且恒定不变的热

源。若非如此，则工质就可以从热源中温度较高的部分吸热而向热源中温度较低的部分放热。

这与放热为零的要求不符，且实际上就相当于两个以上热源了。

只从单一热源吸收热量，并使之全部转化为机械功；它不需要冷源，也没有释放出热量。

这种热机被称为第二类永动机。所以热力学第二定律亦可表达为：第二类永动机是不可能实

现的。

8.6.2克劳修斯表述

开尔文表述从正循环的热机效率极限问题出发，总结出热力学第二定律。我们还可以从

逆循环制冷机角度分析致冷系数极限从而导出热力学第二定律的另一等价表述。由致冷系数

Q2

W

=可以看出，为了完成从低温热源搬运热量到高温热源，必须有外界做功，如果

净

W

净

Q

不需外界做功，即W0，则致冷机的致冷系数2。即不需外界做功，热量

净

W