§74热力学第二定律 (The second law of thermodynamics) 自然过程的方向 direction of natural process ●只满足能量守恒的过程一定能实现吗? ◆功热转换 transform between work and heat 通过摩擦而使功变热的过程是 不可逆的( irreversible);或 热不能自动转化为功;或,唯 效果是热全部变成功的过程 是不可能的。 HoO 功热转换过程具有方向性
一、自然过程的方向 direction of natural process 只满足能量守恒的过程一定能实现吗？ 功热转换 transform between work and heat 通过摩擦而使功变热的过程是 不可逆的（irreversible）；或 热不能自动转化为功；或，唯 一效果是热全部变成功的过程 是不可能的。 功热转换过程具有方向性。 §7.4 热力学第二定律 （The second law of thermodynamics）
◆热传导( heat conduction) 热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的; 或,热量不能自动地由低温物体传向高温物体。 ◆气体的绝热自由膨胀( adiabatic free expansion) 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。 ◆非平衡态到平衡态的过程是不可逆的 不可逆的 自动地 ●一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的
热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的； 或， 热量不能自动地由低温物体传向高温物体。 气体的绝热自由膨胀（adiabatic free expansion） 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。 非平衡态到平衡态的过程是不可逆的 不可逆的 自动地 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。 热传导 （heat conduction）
热力学第二定律 The second law of thermodynamics 与热现象有关的宏 观过程的不可逆性 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 怎样精确表述? 1、热力学第二定律的开尔文表述 Kelvin statement: “不可能制成一种循环动作的热机,只从单 热源吸取热量,使之全部变为有用的功,而其他物体 不发生任何变化。” 在不引起其他变化的条件下,把吸收的热全部 转换成机械功是不可能的,但,相反的过程却完全可 能发生,如摩擦生热现象 热与功的转换过程具 有方向性,是不可逆的
与热现象有关的宏 观过程的不可逆性 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 怎样精确表述？ 二、热力学第二定律 The second law of thermodynamics 1、热力学第二定律的 开尔文表述 Kelvin statement ： “不可能制成一种循环动作的热机，只从单一 热源吸取热量，使之全部变为有用的功，而其他物体 不发生任何变化。 ” 在不引起其他变化的条件下，把吸收的热全部 转换成机械功是不可能的，但，相反的过程却完全可 能发生，如摩擦生热现象。——热与功的转换过程具 有方向性，是不可逆的
2、热力学第二定律的克劳修斯表述 Clausius statement “热量不能自动地从低温物体传向高温物体。” 热传导过程具有方向性,也是不可逆的 3、热力学第二定律的两种表述又可简述为 ①开尔文:第二类永动机不可能制成。 Perpetual motion machine of the second kind ②可劳修斯:理想制冷机不可能制成。 从单一热源吸热,并将其全部转变为功的热机,叫第 类永动机,如果能制成,从海水吸热,只要使海水冷却1K, 就会给出1031kJ能量,相当于104吨煤燃烧所提供的热量,可 供全世界所有的工厂用数万年。这并不违背热力学第一定律( 能量守恒),无数事实证明,这种努力是徒劳的。 能够不需要外界作功而把热量从低温物体传向高温物体 的装置,叫理想制冷机
2、热力学第二定律的克劳修斯表述 Clausius statement： “热量不能自动地从低温物体传向高温物体。 ” ——热传导过程具有方向性，也是不可逆的。 从单一热源吸热，并将其全部转变为功的热机，叫第二 类永动机，如果能制成，从海水吸热，只要使海水冷却1K， 就会给出1021 kJ 能量，相当于1014吨煤燃烧所提供的热量，可 供全世界所有的工厂用数万年。这并不违背热力学第一定律（ 能量守恒），无数事实证明，这种努力是徒劳的。 能够不需要外界作功而把热量从低温物体传向高温物体 的装置，叫理想制冷机。 3、热力学第二定律的两种表述又可简述为： ①开尔文：第二类永动机不可能制成。Perpetual motion machine of the second kind ②可劳修斯：理想制冷机不可能制成
两种表述的等价性 equivalence character 如果开尔文表述成立,则克劳修斯表述也成立,反之亦然。 反证法,如果开尔文不成立,那么可劳修斯表述也不能成立。 假设,热可以全部转变成有用功,这将导致热可以自动从 低温物体传向高温物体。 T1 A 卡 诺 T2<11 假想复合机
假设， 热可以全部转变成有用功，这将导致热可以自动从 低温物体传向高温物体。 三、两种表述的等价性 equivalence character 如果开尔文表述成立，则克劳修斯表述也成立，反之亦然。 反证法，如果开尔文不成立，那么可劳修斯表述也不能成立
反之,如果克劳修斯表述不成立,开尔文表述也不成立 假设,热可以自动从低温物体传向高温物体, 这将导致热可以全部转变成有用功。 TI 劃效果 假 置 违背克劳修斯表述 定违背开尔文表述 ◆各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互沟通的 以上是:功变热→热传导
假设， 热可以自动从低温物体传向高温物体， 这将导致热可以全部转变成有用功。 各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互沟通的 以上是：功变热 热传导 反之，如果克劳修斯表述不成立，开尔文表述也不成立
四、热力学第二定律可以有多种表述 公开承认这两种表述的原因之一是热功转换与 热传递是热力学过程中最具有代表性的事例,原因 之二是这两人是历史上最先完整地提出第二定律的 人。(熵增加原理是热力学第二定律的另一表述) 五、热力学第二定律的适用范围 不适用少数粒子组成的系统。不适用于开放的宇宙
四、热力学第二定律可以有多种表述 公开承认这两种表述的原因之一是热功转换与 热传递是热力学过程中最具有代表性的事例，原因 之二是这两人是历史上最先完整地提出第二定律的 人。（熵增加原理是热力学第二定律的另一表述） 五、热力学第二定律的适用范围 不适用少数粒子组成的系统。不适用于开放的宇宙
热力学第二定律的数学表示
热力学第二定律的数学表示
可逆过程和卡诺定理 (Reversible process and carnot's theorem) 可逆过程 1、可逆过程 reversible process 设有一个过程,使物体从状态A变化到状态B,对它来 说,如果存在另一个过程,它不仅使物体进行反向变化,从 状态B恢复到状态A,而且,周围一切也都各自回复原状, 则状态A→B的过程是可逆过程。反之,称不可逆过程。 2、可逆过程是一种理想的过程 只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。通常准静态 过程总是指可逆过程。(为了理论上分析实际过程的规律, 引入理想化的概念)实际上,自然界的一切自发过程,都是 不可逆过程
可逆过程和卡诺定理 (Reversible process and Carnot's theorem) 1、可逆过程reversible process 设有一个过程，使物体从状态A变化到状态B ，对它来 说，如果存在另一个过程，它不仅使物体进行反向变化，从 状态B 恢复到状态A ，而且，周围一切也都各自回复原状， 则状态A→B的过程是可逆过程。反之，称不可逆过程。 2、可逆过程是一种理想的过程 只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。通常准静态 过程总是指可逆过程。（为了理论上分析实际过程的规律， 引入理想化的概念）实际上，自然界的一切自发过程，都是 不可逆过程。 可逆过程
气体膨胀和压缩 无摩擦的准静态过程 外界压强总比系统大 无限小量—缓缓压缩; 外界压强总比系统小一 无限小量—缓缓膨胀 热传递 等温热传导,可逆 系统 过程的必要条件。 系统从T到T2准静态过程; T的无穷小变化。 T+△TT1+2△TT1+3△T
气体膨胀和压缩 u 无摩擦的准静态过程 外界压强总比系统大一 无限小量——缓缓压缩； 外界压强总比系统小一 无限小量——缓缓膨胀。 系统 T1+△T T1+2△T T1+3△T T2 等温热传导，可逆 过程的必要条件。 热传递 系统从T1 到T2 准静态过程； T 的无穷小变化