热力学第二定律.ppt

由 * 热学（6） 物理电子科学部：祁欣 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。观察与实验表明，自然界中一切与热现象 有关的宏观过程都是不可逆的，或者说是有方向性 的。例如热量可以从高温物体自动地传给低温物 体，但是却不能从低温传到高温。对这类问题的解 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。为此，首先介绍可逆过程和不可逆过程的概念。 前 言 19-1 热力学第二定律 不可逆过程 19.1 可逆过程和不可逆过程 （一个给定的过程，若其每一步都能借外界条件的无穷小变化而反向进行，则称此过程为可逆过程。） 可逆过程: 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重 复正过程的每一状态,而不引起其他变化. 不可逆过程: 在不引起其他变化的条件下 , 不能使逆过程重复正过程的每一状态 ,或者虽然重复但必然会引起其他变化. （ 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。） 卡诺循环是可逆循环 在热现象中，这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。 无摩擦、无机械能损失的、无限缓慢的平衡过程 才是可逆过程。 可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温热传导。 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。 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。例如： 理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板 被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一 种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个 容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态 回到非平衡态的过程不可能自动发生。 气体的自由 膨胀是不可 逆的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 气体的绝热自由膨胀 （Free expansion） 热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由 高温物体传向低温物体，从而使两物体温度 相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使 两物体温差增大。 人的生命过程是不可逆的。 自然界自发进行的过程都是不可逆的。 热传导 （Heat conduction） 功——热转换不可逆 通过重物下落而使功转变热的过程是不可逆的，相反水分子转变为有规则的定向运动使浆叶沿相反方向转动，把重物提起来，这种转变几率小，实际不可能的，表明从几率小——几率大不可能 功热转换过程具有方向性 一切实际过程都是不可逆的。 可逆过程只是一种理想模型。 非平衡态到平衡态的过程是不可逆的 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 热力学第二定律是一条经验定律，因此有许多 叙述方法。最早提出并作为标准表述的是1850 年克劳修斯提出的克劳修斯表述和1851年开尔 文提出的开尔文表述。 热力学二定律的表述 19.2 热力学第二定律 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到 高温物体而不引起其他变化。 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 引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是 不可逆的。 开尔文表述：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。 与之相应的经验事实是，功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其他影响是不可能的。如， 利用热机，但实际中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。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。 不可逆过程是相互关联的 自然界中各种不可逆过程都是相互关联的。意 即一种宏观过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性；反之，若一种实际过程的不可逆性消 失了，其它实际过程的不可逆性也随之消失。 克氏表述指明热传