热力学第二定律 卡诺原理
1 热力学第二定律 卡诺原理
前言 热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过 程中必须遵循的规律,但并未限定过程进行的方向。 凡符合热一律的过程—即符合能量守恒的过程是否 都能实现呢? 实验表明,自然界中一切与热现象有关的宏观过程都 是有方向性的。 自然过程的方向性 例如:气体的绝热自由膨胀过程 AB AB 热传导过程 这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的 方向进行的,相反方向的过程不能自动发生,或者说, 如果可以发生,则必然引起其它后果。 2
2 热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过 程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。 凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是否 都能实现呢？ 实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都 是有方向性的。 一、自然过程的方向性 热传导过程 A B A B 例如：气体的绝热自由膨胀过程。 这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的 方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说， 如果可以发生，则必然引起其它后果。 前 言
热力学第一定律无法对这类问题作出解释,需要 个独立于热力学第一定律的新的自然规律,即热力 学第二定律来解释。 、热力学第二定律 1内容 1.开尔文表述 1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。 不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成 有用的功而不产生其他影响。 功可以完全变热,但要把热完全变为功而不产生其它 影响是不可能的 以热机为例,热机的循环除了热变功外,还必定有一定 的热量从髙温热源传给低温热源,即产生了其它效果
3 热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要 一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力 学第二定律来解释。 二、热力学第二定律 – 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成 有用的功而不产生其他影响。 功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它 影响是不可能的。 1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。 1.内容 1.开尔文表述 以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定 的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果
热全部变为功的过程也是有的,如,理想气体等温膨 胀。但这时引起了其它的变化。 开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性 QusI 77 吸1放=1 高温热源T1 第二类永动机(单热机)不 Q第二类 能制成。 热机 永动机
4 热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨 胀。但这时引起了其它的变化。 开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性 高温热源T1 热机 A Q吸 吸 吸 放 Q Q −|Q | = =1 第二类永动机（单热机）不 能制成。 第二类 永动机
2、克劳修斯表述 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而 不引起其它的变化。 与之相应的经验事实是,当 两个不同温度的物体相互接触时, 热量将自动地由高温物体向低温高温热源T 物体传递,而不可能自发地由低 温物体传到高温物体。 如果借助制冷机,当然可以把 热量由低温传递到高温,但要以 外界作功为代价,也就是引起了 其它变化克氏表述指明热传导[低温热源21 过程是有方向的
5 高温热源T1 低温热源T2 Q吸 Q放 与之相应的经验事实是，当 两个不同温度的物体相互接触时， 热量将自动地由高温物体向低温 物体传递，而不可能自发地由低 温物体传到高温物体。 如果借助制冷机，当然可以把 热量由低温传递到高温，但要以 外界作功为代价，也就是引起了 其它变化。克氏表述指明热传导 过程是有方向的。 2、克劳修斯表述 – 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而 不引起其它的变化
3、两种表述是统一的 假定单热机是可以9发温热源 1.从开尔文表述入手 高温热源 02+A()xI →()致冷机 造成的,则 单热机 高温源ˇ低温源」「低温热源 低温热源 2从克劳修斯表述入手 2 高温热源[高温热源 假定热量能自动 地从低温源传到高 热机 A 温源,则单热机也Q 单热机 能造成 低温热源 热力学过程是有方向性的
6 1.从开尔文表述入手 假定单热机是可以 造成的，则 高温源 低温源 Q 高温热源 T1 低温热源 T2 Q1 Q2 + A 单热机 Q2 致冷机 高温热源 T1 低温热源 T2 Q2 A ( ) Q1 3、两种表述是统一的 2.从克劳修斯表述入手 高温热源 T1 低温热源 T2 Q2 热机 Q2 A Q1 高温热源 Q T 1 −1 Q2 A 单热机 假定热量能自动 地从低温源传到高 温源，则单热机也 能造成。 热力学过程是有方向性的
为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过 程方向性问题,引入可逆过程的概念 2可逆过程与不可逆过程 个系统,由一个状态出发经过某一过程达到另 状态,如果存在另一个过程,它能使系统和外界完全 复原(即系统回到原来状态,同时消除了原过程对外 界引起的一切影响)则原来的过程称为可逆过程; 反之,如果物体不能回复到原来状态或当物体回 复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响,则原 来的过程称为不可逆过程。 单摆运动:一个单摆,如果不受空气阻力及其它摩擦 力,当它离开某一位置后,经过一个周期又回到原来 的位置而周围一切都无变化。 无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程
7 2.可逆过程与不可逆过程 为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过 程方向性问题，引入可逆过程的概念。 一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一 状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全 复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外 界引起的一切影响）则原来的过程称为可逆过程； •单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦 力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来 的位置而周围一切都无变化。 反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回 复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原 来的过程称为不可逆过程。 无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程
单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。 在热现象中,可逆过程只有在准静态和无摩擦 的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。 经验和事实表明,自然界中真实存在的过程都是按 定方向进行的,都是不可逆的。 理想气体绝热自由膨胀是不可逆的 理想气体热传导过程是不可逆的。 可逆传热的条件是系统和外界温差无 限小,即等温热传导。 气体的迅速膨胀过程是不可逆的。 但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时,它 却是可逆的
8 单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。 •理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。 A 在热现象中，可逆过程只有在准静态和无摩擦 的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。 经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一 定方向进行的，都是不可逆的。 •理想气体热传导过程是不可逆的。 可逆传热的条件是：系统和外界温差无 限小，即等温热传导。 •气体的迅速膨胀过程是不可逆的。 但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它 却是可逆的
结论: 1)一切自发过程都是不可逆过程。 2)准静态过程(无限缓慢)+无摩擦的过程是可逆过 程 3)一切实际过程都是不可逆过程。 可逆过程是一种理想的极限,只能接近,绝不能 真正达到。因为,实际过程都是以有限的速度进行, 且在其中包含摩擦,粘滞,电阻等耗散因素,必然是 不可逆的 强调:不可逆过程不是不能逆向进行,而是说当过程 逆向进行时,逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正 过程的痕迹完全消除
9 结论： 1）一切自发过程都是不可逆过程。 2）准静态过程（无限缓慢） +无摩擦的过程是可逆过 程。 3）一切实际过程都是不可逆过程。 可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能 真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行， 且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是 不可逆的。 强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程 逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正 过程的痕迹完全消除
●热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按 定的方向进行的,是不可逆的,相反方向的过程不 能自动发生,或者说,如果可以发生,则必然引起 其它后果。 开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的 克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。 热力学第二定律的实质在于指出:一切与热现象有关 的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律 向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。 10
10 ⚫ 热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一 定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不 能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起 其它后果。 开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。 热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关 的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律 向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。 克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的