§6-7热力学第二定律的表述卡诺定理 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 热传导能量转换有一定方向和限度 扩散 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 特征 表述方式多样 统计意义 反证法
§6-7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 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
问题的来由: 法国人巴本( Papin)发明第一部蒸汽机,英国人纽可 门( Newcomen)制作的大规模将热变成机械能的蒸汽机 从1712年在全英国煤矿普遍使用,当时效率很低 1765年,瓦特(J.Watt,1736-1819,英国人)在修理纽 可门机的基础上,对蒸汽机作了重大改进,使冷凝器 与汽缸分离,发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等, 使蒸汽机实现了现代化,大大地提高了蒸汽机效率。 十九世纪初期,蒸汽机的广泛应用使得提高热机效率 成为当时生产中的重要课题。 十九世纪二十年代(1824年)法国的年青工程师卡诺 (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
•问题的来由： 法国人巴本(Papin)发明第一部蒸汽机，英国人纽可 门(Newcomen)制作的大规模将热变成机械能的蒸汽机 从1712年在全英国煤矿普遍使用，当时效率很低。 1765年，瓦特(J.Watt，1736-1819，英国人)在修理纽 可门机的基础上，对蒸汽机作了重大改进，使冷凝器 与汽缸分离，发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等， 使蒸汽机实现了现代化，大大地提高了蒸汽机效率。 十九世纪初期，蒸汽机的广泛应用使得提高热机效率 成为当时生产中的重要课题。 十九世纪二十年代(1824年)法国的年青工程师卡诺 (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
他指出:一部蒸汽机所产生的机械功,在原则上有 赖于锅炉和冷凝器之间的温度差以及工作物质从锅炉 所吸收的热量。(卡诺定理) 但卡诺信奉热质说,不认为在热机的循环操作中, 工作物质所吸收的热量一部分转化为机械功。而认为: “热量从高温传到低温而作功,好比是水力机作功时 水从高处流到低处一样;与水量守恒相对应的是热质 守恒。” 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 矛盾一焦耳:机械能定量地转化为热 条新的定律,即热力学第二定律。 卡诺:热在蒸汽机里并不转化为机械能
他指出：一部蒸汽机所产生的机械功，在原则上有 赖于锅炉和冷凝器之间的温度差以及工作物质从锅炉 所吸收的热量。（卡诺定理） 但卡诺信奉热质说，不认为在热机的循环操作中， 工作物质所吸收的热量一部分转化为机械功。而认为： “热量从高温传到低温而作功，好比是水力机作功时， 水从高处流到低处一样；与水量守恒相对应的是热质 守恒。” 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：热在蒸汽机里并不转化为机械能。 矛盾
、热力学第二定律的两种表述及其等效性 1第二类永动机 依热机效率: W91-92 设想:O2=0,n=100 工作物质在此循环过程中,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原来的热力学 状态,此热机称为第二类永动机 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,因而对人们更具有诱惑性。 然而,在提高热机效率时,大量事实说明:在任何 情况下,热机都不可能只有一个热源。1851年,开 尔文提出了一条新的普遍原理
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，因而对人们更具有诱惑性。 然而，在提高热机效率时，大量事实说明：在任何 情况下，热机都不可能只有一个热源。1851年，开 尔文提出了一条新的普遍原理。 一、热力学第二定律的两种表述及其等效性 注意： T Q W 1.第二类永动机 依热机效率： 1 2 2 1 1 1 1 W Q Q Q Q Q Q − = = = − 设想： Q2 = 0, =100% ～工作物质在此循环过程中，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原来的热力学 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。 注意理解: ①热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功 例:理想气体等温膨胀△T=0 △E=0Qn=W 其他影响:V上>O 不违反热力学第二定律
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： V 0 例：理想气体等温膨胀 = T 0 E = 0 Q W T = 其他影响： T 不违反热力学第二定律
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。 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: ≥W W 不耗能,只做功 Q1=W(Q2=0) 7>100%(7=∞) 1=100 违反热力学第一定律违反热力学第二定律
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 100% ( = ) 违反热力学第一定律W 1 2 Q W Q = = ( 0) =100% 违反热力学第二定律W T Q1 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
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 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。 ∥=0 b)w=0 02=Q e= 的致冷机是不可能成功的 c)第二类永动机是不可能实现的
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。 c)第二类永动机是不可能实现的。 2 0 2 1 Q W Q Q e W = = = = 的致冷机是不可能成功的。 b) Q W=0 T1 T2 Q 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
注意理解: 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 例:电冰箱 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。 ②热力学第二定律指出了热传导方向性 高温自动 低温 低非自动 高温(外界做功) 4.两种表述的等效性 正定理:如果K成立,C一定成立
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 注意理解： 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。 4.两种表述的等效性 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: 总效果: 系统从低温热源(T2)吸热: y=0+=+ O 系统向高温热源(T})放热: 2+22-21 无其它影响,故C不成立
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： T1 T2 Q2 Q1 W Q1 = W Q Q Q 2 1 2 + = + 系统从低温热源 （T2 ) 吸热： Q2 系统向高温热源 放热： Q Q Q Q 1 2 1 2 + − =1 （T )
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(T2)不变 Q W=- 系统对外作功:Q1-2 系统从高温热源(T}) 22 放热:Q-2 T2 无其它影响,故K不成立。 由①,②C、K两种表述等效。 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,而且彼此等效
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 （T2 ) 不变 无其它影响，故K不成立。 由 ① ，② C、K 两种表述等效。 Q2 Q2 Q2 Q1 W Q Q = − 1 2 T2 T1 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，而且彼此等效。 系统对外作功： Q Q 1 2 − 1 系统从高温热源 （T ) 放热： Q Q 1 2 −