热力学第二定律与卡诺原理.doc

2.1热力学第二定律与卡诺原理 2.1.1 自发过程及自发过程特征 2.1.1.1 自发过程： 某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。自发变化的共同特征——不可逆性 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。自发过程逆向进行必须消耗功。 自发过程例题： (1).理想气体向真空膨胀 (2).温差传热 (3).浓差扩散 (4).化学反应：将金属锌投入硫酸铜溶液中可自发地置换出金属铜.而将金属铜放入硫酸锌溶液中则看不到任何变化. 上述自发过程的共同特征：它们的逆过程都不能自动进行。要使自发过程的逆过程得以进行,环境就必须对体系做功. 2.1.2 热力学第二定律 热力学第一定律指出了能量守恒和转化及转化过程中各种能量具有的当量关系，但不能指出变化的方向和限度。例如，对反应 第一定律只能指出正反应和逆反应的反应热数值相等而符号相反，至于在给定条件下，上述反应朝哪个反向进行，第一定律不能回答。自然界的变化都不违反热力学第一定律，但不违反热力学第一定律的变化未必都能发生。判断一过程能否发生以及过程进行的限度依靠热力学第二定律。热力学第二定律的发现和建立过程完全是由于对热机、特别是对热机效率的研究所推动的。 1850年，克劳修斯（Clausius,1822-1888）也研究了卡诺关于热机效率的工作，发现了其中包含着一个新的自然规律，他将这个规律表述为：“不可能把热从低温物体转移至高温物体而不引起其他变化。”（致冷机可使热从低温物体转移至高温物体，但引起了其他变化）——热力学第二定律的克劳修斯说法。 1851年，开尔文再度研究了卡诺原理，提出热力学第二定律的开尔文说法：“不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不产生其他变化”（理想气体等温膨胀是从单一热源吸热使之完全变为有用的功，但气体状态变了）。 以上两种说法是一致的，违反了其中一种，必违反另一种。 开尔文说法也可表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。所谓第二类永动机，就是一种能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不产生其他变化的机器。这种机器不违反热力学第一定律，却永远造不出来。这好像要造一台无需水位差就能发电的水力发电机一样，是不可能的。 2.1.3 卡诺原理 为了研究热机工作的最高效率（即限度），1824年，法国工程师卡诺（S.Carnot）设计了一个以理想气体为工作物质，由四步可逆过程所构成的一个循环过程，人们称为卡诺循环。 (2) 卡诺原理： 在两个热源之间工作的热机中，可逆热 机效率最大。即：≤ ★在两个热源之间工作的一切可逆热机效率相等:ηr = ηr ★在两个热源之间工作的可逆热机效率大于一切不可逆热机效率:ηr ＞ηir 1 1 1