统计物理与热力学课程(陈培锋)热课件.ppt

第3讲热力学第二定律和熵物理学中最“神”的部分哲学意义不可不知十九世纪二十年代(1824年)法国年青的工程师卡诺(S.Carnot,1796-1832)从理论上研究了一切热机的效率问题,并提出了著名的卡诺定理。1840年后,焦耳的热功当量实验工作陆续发表,开尔文、克劳修斯等人注意到焦耳工作与卡诺的热机理论之间的矛盾,并作了进一步的理论研究,总结出了一条新的定律,即热力学第二定律。焦耳：机械能定量地转化为热；卡诺：热在蒸汽机里并不全转化为机械能。矛盾卡诺:提高蒸汽机效率工程界中心工作,均盲目采用空气、二氧化碳、酒精等代替蒸汽；卡诺则针对一般热机,采用思想实验方法,完成《关于火的动力》一书；早逝,生前未得承认。一、问题的来由：在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。但是卡诺定理最初的证明是采用热质说卡诺定理如果承认热动说，只根据热力学第一定律(能量守恒定律)，就得不到卡诺定理。如果没有卡诺定理,会得出：“无需作功的情况下一定的热量可以从低温热源传到高温热源”和“从高温热源吸收的热量全部转化为机械功,而无需把一部分热量传递给低温热源”的结论。与实际不符！热力学第一定律带来的矛盾如果抛弃热质说,只承认热力学第一定律(能量守恒定律),不能完整地描述客观世界。克劳修斯看到了这一点,他意识到除能量守恒定律之外还应有一条定律。他于1850年提出了热力学第一、第二两条定律,用小得出乎意料的修正将焦耳的观点与卡诺定理协调了起来。它既保留了卡诺定理的结果(与现实符合),又与焦耳的观点不矛盾。热力学第二定律与第一定律二、热力学第二定律的两种表述注意：第二类永动机并不违反热力学第一定律，即不违反能量守恒定律TQW1.第二类永动机依热机效率：设想：～工作物质在一个循环过程中,从高温热源吸收热量全部用来作功,而工作物质本身又回到初始的热力学状态,此热机称为第二类永动机2.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:a)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。b)第二类永动机是不可能实现的。①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：理想气体等温膨胀产生了其他影响：ΔV0关键词：“无其它影响”②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%转换第一定律第二定律3.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：a)不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化。b)QW=0Q注意理解：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）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。如果开尔文表述K成立,克劳修斯C一定成立如果C成立,K一定成立如果K不成立,C一定不成立；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：系统从低温热源吸热：系统向高温热源放热：4.两种表述的等效性②如果C不成立,则存在W=0的致冷机,建立如图联合循环：总效果：低温热源不变无其它影响，故K不成立。5.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均可作为热力学第二定律的一种表述，彼此等效。系统对外作功：系统从高温热源放热：K,C为两种标准表述历史上最早提出抓住典型过程：从热机,致冷机角度阐述例：运用热力学第二定律的典型思想方法：反证法1.证明两条绝热线不相交设两个绝热线交于B,可作一等温线与两条绝热线构成一循环,形成单热源热机,违反热力学第二定律。原假设不成立,两绝热线不能相交。2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点设等温线与绝热线有两个交点,则形成单热源热机,违反热力学的二定律。卡诺循环最简单热力学第一定律加上热力学第二定律可以证明卡诺定理如果卡诺定理不成立，仅由热力学第一定律会得出：“无需作功的情况下一定的热量从低温热源传到高温热源”和“从高温热源吸收的热量全部转化为机械功，而无需把一部分热量传递