§5.1.1热力学第二定律的两种表述及其等效性
热力学第二定律的文字表述
热力学第二定律也可以应用于污染物控制。例如，通过控制工业废气和废水的排放，减少对环境的污 染，从而保护生态平衡和人类健康。这符合热力学第二定律的要求，即自然界中的过程总是向着熵增 加的方向进行，因此我们需要采取措施来减少熵的产生和增加熵的利用。
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污染，实现可持续发展。
04
热力学第二定律是热力学的核心原理之一，它为能源 利用、环境保护和可持续发展等领域提供了重要的理 论指导。
04 热力学第二定律的应用
热力学第二定律在工程中的应用
热机效率
热力学第二定律指出，热机不可能达到100%的效率，这是由于热量自发地从高温向低 温传递的特性所决定的。因此，工程师在设计热机时需要考虑如何提高效率，以减少能
热力学第二定律揭示了自然界的不可逆过程和方向性， 即自然界的自发过程总是向着熵增加的方向发展。
输标02入题
这意味着，我们无法通过简单地将热量从高温物体传 递到低温物体来创造一台能够无限次使用的永动机。
01
03
通过对热力学第二定律的理解和应用，我们可以更好 地认识自然界的规律，提高能源利用效率，减少环境
它适用于宏观和微观尺度，从分子、原子到宇宙尺度，适用于气体、液体、固体和 等离子体等各种物质形态。
热力学第二定律是自然界的普适规律之一，无论是在地球上还是在宇宙其他地方都 适用。
02 热力学第二定律的表述方 式
热传导方向
热量总是自发地从高温物体传递到低 温物体，而不是相反方向。
在封闭系统中，如果没有外部能量输 入，热量最终会达到平衡状态，各部 分温度相等。
热力学第二定律的文字表述
contents
目录
• 热力学第二定律的定义 • 热力学第二定律的表述方式 • 热力学第二定律的物理意义 • 热力学第二定律的应用01 热力学第二定律的定义
热力学第二定律的几种表述及关系
热力学第二定律的几种表述及关系
热力学第二定律
热力学第二定律有几种表述方式：
克劳修斯表述：
热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体；
开尔文-普朗克表述：
不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。
熵表述：
随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。
关系：
热力学第二定律的两种表述（前2种）看上去似乎没什么关系，然而实际上他们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个。
意义：
热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
第二类永动机（不可能制成）
只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
5.1热力学第二定律的表述及实质
2) ―其他物体不产生任何变化”是指除了“从单一热源吸
收热量以及对外作功”以外的任何变化。 等温膨胀违背吗？
虽是从单一热源吸收热量全部
对外作功，但体积膨胀了。
不违背热二律！ 3) 热二律指出了效率100%的热) 热二律指出了效率100%的热机制造不出来。 如果能从单一热源吸收热量对外作功而不产生其它影响， 则：
密度大
W2 p2 p2V–p1V>0
W1
|W1|<|W2|，
当活塞无摩擦地、非常缓慢地拉动时，内外作功的和为零。 可视为可逆过程。
结论：1）一切自发过程都是不可逆过程。 2）只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。 正过程+逆过程=0 A 即对外影响全抵消 B V 可逆过程是理想化的过程。
p
在AB的过程中：
热机 机 等效于
Q2
低温热源(T2)
高温热源(T1) 等效于 Q1 W 热机 Q2 Q2 低温热源(T2)
低温热源(T2)
高温热源(T1) Q1–Q2 W
热机
违背Clausius 表述,也违背Kelvin表述。
由两种表述的等价 性可知：由一种自发 过程的不可逆性可以 导出另一种自发过程 的不可逆性。 可以证明各种自发 过程的不可逆性是相 互关联的。
热功转换的方向性
无条件 热传递的 Q 方向性
低温热源(T2)
热力学过程在遵守热一律的同时还受方向性的限制。 热力学第一、二定律是相辅相成的
*任何不可逆过程的出现，总伴随有“可用能量”被贬值为“不
可用能量”的现象发生。 在能量利用 的过程中，应特别注意消除各种引起“自发的发生”的不可逆 因素，以增加可用能的比率，从而提高效率。 3．热力学第二、零定律间的关系 第零定律(热平衡定律)：任意两个物体进行热接触最终温度相同. 只能说明温度相同是达到热平衡的诸物体所具有的共同性质 无法判别尚未到达热平衡的两个物体温度的高低。 第二定律：从热量自发流向判别出物体温度的高低。与第零定律 是相互独立的。
热力学第二定律.
tC =65.9% 实际t =40%
回热t 可达5Biblioteka %§5.3 状态参数熵及熵方程
一、状态参数熵的导出
T
A c b a
Q1
Tr1
1
g
Tr 2
f B e
2
Q2
s 可逆循环1-A-2-B-1由许多为微小可逆循环构成
T
A c b a
Q1
Tr1
对a-b-f-g-a微小可逆卡诺循环
1
g
Tr 2
T1 有两台热机IR(不可逆) 和R(可逆) 工作在热源和冷源T1 和T2 之间 现考虑将可逆机逆转(热泵) Q1 Q 1’
WR WIR IR R Q2 T2 Q 2’
卡诺定理2证明：
只要证明 IR = R IR > R 反证法,假定：IR = R 令 Q1 = Q1’ 则 WIR = WR ∴ Q1’- Q1 = Q2’ - Q2= 0
Tr1 Tr 2 0 Tr 0
令微元循环数目趋于无穷大，积分求和：
T
Q
r
0
这就是克劳修斯积分不等式。 克劳修斯积分含义： 一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切不 可逆循环的克劳修斯积分小于零，任何循环的克劳 修斯积分都不会大于零。 可以利用来判断一个循环是否能进行，是可逆 循环，还是不可逆循环。
2 2s
对于理想气体，有：
t2 t2s
所以不可逆过程终态的比体积大， v2 v2s
熵增大原因： 主要是由于耗散作用(dissipation)
内部存在的不可逆耗散是绝热闭口系统熵 增大的唯一原因，其熵变量等于熵产。
即：dS ad S g , S ad S g
四、相对熵及熵变量计算
热力学第二定律的表述及理解
热力学第二定律的表述理解热力学第一定律阐明了能量转换过程中的守恒关系，指出了不消耗能量而能不断输出功的第一类永动机确是一种幻想。
热力学第二定律则更深刻地揭示了能量的品质问题。
熵，或许发明这一物理量的先贤也未始能预料到其对自然科学甚至哲学竟能产生如此巨大的影响。
热力学第二定律有数种表达形式，最闻名于世的有克劳修斯表达和开尔文表达。
1.开尔文表述英国物理学家开尔文（1824～1907），1845年毕业于剑桥大学，1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学教授，长达50余年，1851年被选为英国皇家学会会员，1877年被选为法国科学院院士，1890年至1895年担任皇家学会会长，他对热学和电磁学的发展都作出了重要的贡献。
1851年开尔文在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇论文，题目是“论热的动力理论”，文章指出：不存在这样一个循环过程，系统从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响.表述中“单一热源”是指温度均匀且恒定的热源；“其他影响”指除了由单一热源吸热，把吸收的热用来做功以外的任何其他变化.若有其他影响产生时，把由单一热源吸来的热量全部用以对外做功是可能的.自然界任何形式的能都可能转化为热，但热却不能在不产生其他影响的条件下完全转变成其他形式的能.开尔文的论述虽然较克劳修斯晚一年，但他的论述更为明确，使得热力学第二定律的研究更加深入，此外，开尔文还从第二定律断言：能量耗散是普遍趋势.2.克劳修斯表述德国物理学家克劳修斯（1822～1888），曾在柏林大学学习4年，后于1848年毕业于哈雷大学.1850年他任柏林皇家炮工学校物理教授，1855年后他相继任苏黎士维尔茨堡和波恩大学物理教授.他除了建立热力学第二定律，引入态函数——熵，还对气体分子动理论做了较全面的论述，用统计平均的方法导出了理想气体的压强、温度和气体的平均自由程公式。
克劳修斯于1850年在《德国物理学年鉴》上率先发表了《论热的动力及能由此推出的关于热本质的定律》，把卡诺定理作了扬弃而改造成与热力学第一定律并列的热力学第二定律.他提出，热量总是自动地从高温物体传到低温物体，不可能自动地由低温物体向高温物体传递.或者说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.即在自然条件下，这个转变过程是不可逆的，若想让热传递的方向逆转，则必须消耗功才能实现.以上两种表述是等效的，说明了热量不可能全部转化为机械功以及这一转化过程的方向性.人们一度曾设想一种能从单一热源吸收热量，使之完全转变成有用的机械功而不产生其他影响的第二类永动机，第二类永动机虽不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律，因而是不可能造成的.第二定律除了以上两种表述外，还有其他不同的表述，例如热效率为100%的热机是不可能制成的；不需要由外加功而可操作致冷的机器是不可能造成的等.第二定律无论采用何种表述，其内容实质相同，不外乎主张不可逆变化的存在.各种表述的实质在于说明一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
第五章热力学第二定律2012
3、系统熵变只取决于始态和末态
4、熵值具有可加性
42
注意
若变化路径是不可逆，上式不能成立； 熵是态函数，若把某一初态定为参考态，则：
dQ S S0 T
上式只能计算熵的变化，它无法说明熵的微观意义， 这也是热力学的局限性； 熵的概念比较抽象，但它具有更普遍意义。
dQ T
2 1 ( c2 )
dQ T
b
此式表明，对于一个可逆过程 a 系统的始末状态，而与过程无关。
dQ T
只决定于
41
引入新的态函数—克劳修斯熵，用S表示
dQ可 逆 S B S A dS A A T
B B
单位：J.K-1
dQ可 逆 微小过程 dS T
说明 1、熵是热力学系统的态函数
球内气体的温度变了 例：在P=1.0atm，T=273.15K条件下，冰的融解热为 h=334(kJ.kg-1)，试求:1kg冰融成水的熵变。 解：设想系统与273.15K的恒温热源相接触而进行
等温可逆吸热过程
S 2 S1
2
1
dQ Q Mh 1 334 1.22( kJ K 1 ) 273.15 T T T 53
S热源
Q T
S工质 0
S S热源 S工质
Q 0 T
不符合熵增原理，所以原假设不成立。 即不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功 而不产生其它影响。
例：一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水中浸泡， 它重新鼓起来，是否是一个“从单一热源吸热的系统 对外做功的过程”，这违反热力学第二定律吗？
1
§5.1 第二定律的表述及其实质
引言
《热力学第二定律》 讲义
《热力学第二定律》讲义一、热力学第二定律的引入在我们生活的这个世界中，热现象无处不在。
从烧开水到汽车发动机的运转，从空调制冷到太阳能的利用，热的传递和转化始终伴随着我们。
而热力学第二定律，就是用来描述热现象中能量转化和传递的方向性规律。
想象一下，如果热能够自发地从低温物体传递到高温物体，那我们的世界将会变得多么奇妙。
冬天的时候，我们不需要取暖设备，房间里的温度会自动升高；冰箱也不再需要耗电来制冷，食物会自动保持低温。
但这样的情景在现实中从未发生，这背后隐藏着热力学第二定律的奥秘。
二、热力学第二定律的表述热力学第二定律有多种表述方式，其中最为常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
举个例子，一杯热水放在室温下会逐渐冷却，热量从热水传递到了周围的环境中。
但如果没有外界的干预，比如使用冰箱或其他制冷设备，热量不会自动从周围环境返回热水，使热水重新变热。
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
比如说，一个热机从高温热源吸收热量，然后对外做功。
但在这个过程中，它不可避免地会向低温热源排放一些热量，无法将从高温热源吸收的全部热量都转化为有用功。
这两种表述虽然形式不同，但本质上是等价的，都揭示了热现象中能量转化和传递的不可逆性。
三、热力学第二定律的微观解释从微观角度来看，热力学第二定律与系统的微观状态数有关。
在一个孤立系统中，分子的运动是无序的。
随着时间的推移，系统总是趋向于从微观状态数少的状态向微观状态数多的状态演变。
例如，将两种不同的气体放在一个容器中，它们会逐渐混合均匀。
而要使混合后的气体重新分离成原来的两种纯净气体，几乎是不可能的。
这是因为混合后的微观状态数远远大于分离状态的微观状态数。
从概率的角度来说，系统向微观状态数多的方向发展的概率要大得多，这就导致了热现象中自发过程的方向性。
四、热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有着重要的应用。
热力学第二定律与熵
dQ Sb S a a可逆 T
b
(dQ)可逆 TdS (dQ)可逆 或dS T
代入热力学第一定律表 达式： TdS dU pdV
这是综合了热力学第一、第二定律的热力学基本关系式。
熵的单位是：J.K-1
23
熵的定义：
若系统的状态经历一可逆微小变化，它与恒温 热源 T 交换的热量为 dQ ，则系统的熵改变了
2
功热转换:
功能自发且完全地转化为热, 但热不能自发且完全地转 化为功; 刹车摩擦生热。
热
气体自由膨胀:
气体体积能自发地由体积V1自由膨胀到体积V1＋V2；但不 能自发地由体积V1＋V2收缩为体积V1;
气体的混合:
气体A和B能自发地混合成混合气体AB，但不能自发地 分离成气体A和B.
热力学第二定律就是阐明热力学过程进行的方向。它决定 实际过程能否发生以及沿什么方向进行，也是自然界的一 条基本规律。 3
1
• 冰淇淋融化 • 冰冻的罐头变热
热传导（heat conduction）: Heat flows spontaneously from a substance at a higher temperature to a substance at a lower temperature and does not flow spontaneously in the reverse direction.
a
当联合机进行一次联合循环时，虽然外界没有
从 对它作功，而联合热机却把热量 Q2 Q2 Q1 Q1 低温热源传到高温热源，违反了克劳修斯的表述。
假定的
a可
b任
是错误的。
16
第五章 热力学第二定律1
3.证明热力学第二定律两种表述的等效性
如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立。
如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。
4.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都可以 作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等效。 K、C为两种典型表述 历史上最早提出抓住典型过程：从热机，制冷机角度阐述。 练习：判断正误 1.热量不能从低温物体传向高温物体。× 2.热不能全部转变为功。×
气体自由膨胀过程的不可逆行
密度不均匀
密度均匀
化学不可逆因素
力学不可逆因素
练习：下列过程的不可逆因素分别是什么？ 热传导过程 功变热过程 扩散过程 自由膨胀过程 热学不可逆因素 耗散不可逆因素 化学不可逆因素 力学不可逆因素 生命过程 出生→死亡 不计摩擦、漏气 卡诺循环是理想的可逆循环 准静态进行
第五章 热力学第二定律与熵
热力学第一定律：一切热力学过程都应满足能量守恒
自然界一切与热现象有关的过程都具有方向性 ------------时间箭头 热力学第二定律:反映过程方向的基本规律 用否定形式表述 表述方式多样 统计意义 反证法验证
特征
1.热力学第二定律的表述及其实质
一、热力学第二定律的两种典型表述 1.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； *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 *单热源热机是 不可能制成的 *第二类永动机（=1） 是不可能制造成功的。
热力学第二定律指出了热功转换的方向性
功 热 自发 非自发 热 100%转换
不能1第一定律 能量转换并守恒，何来能源危机？ 热力学第二定律 能量做功的能力下降，能量品质下降。
第五章热力学第二定律
可逆 C理气 1 T2 T1
2.工作在相同温度的高、低温热源之间的一切 不可逆热机的效率，都不可能大于可逆机的效率。
不可逆 可逆 （实际 不可逆 可逆）
(证明P 235-236)
21
二、卡诺定理的扩展 1.任意循环过程效率的极限 ①可逆循环： 用无穷多条绝热线和等温线构成无穷多小卡 诺循环。 △Q1i 绝 p 第 i 个小卡诺循环(Ti1 热 和Ti2) 效率为 线 T1i Tm T1 i T2 i i i Tn T T1i 2i
( 3 ) ( 2 ) ( 2 ) f (1 , 2 ) ( 3 ) (1 ) (1 )
30
Q2 f (1 , 2 ) Q1 Q2 ( 2 ) Q1 (1 )
…(5)
(5)中ψ 与θ 的选择有关，取不同的函数形式 可得不同的温标，且与工作物质无关。 开尔文引入T ，并令T ∝ ψ (θ) ，简化
有限温差热传导不可逆 功、热转换 的不可逆性 热传导的 不可逆性
17
实际上，一切不可逆过程都是相互沟通的。 例如：克氏表述 热传递之不可逆 理想气体真空膨胀过程 气体不可能自动收缩 气体自由膨 胀之不可逆
( p1 ,V1 , T )
( p2 ,V2 , T )
18
Q 0, W 0, U 0, T 0
证明： (1)假设：如果违反了克劳修斯表述
假想制冷机 真实热机
高温热源 Q1=Q2 甲机 Q2 低温热源 高温热源 Q1 乙机 Q2 低温热源
’
组合甲、乙两机
高温热源
Q1=Q2
W’
Q1’ W’
+
=
甲机
乙机
Q2
第5章 热力学第二定律
第5章热力学第二定律热力学第一定律揭示了这样一个自然规律：热力过程中参与转换与传递的能量在数量上是守恒的。
但是并没有说明是否符合能量守恒定律的过程都能够实现。
实践经验告诉我们，自然过程进行都是具有方向性的。
热力学第二定律就是揭示热力过程方向、条件与限度的定律。
只有同时满足一二定律的过程才能够实现。
5．1 热力学第二定律的实质与表述5.1.1 自然过程的方向性一、磨擦过程功可以自发转为热，但热不能自发转为功。
例如钻木取火。
在刚性绝热密闭容器中带有搅拌器，靠重物下降带动搅拌，摩擦工质生热，气体温度升高，这个过程可以自发进行，但是反方向让气体把热量放出来拉动重物上升却无法自发进行。
二、传热过程热量只能自发从高温传向低温，温差越大，传热越多，反之却无法自发进行，制冷热泵过程的发生都不是自发进行的。
三、自由膨胀过程绝热自由膨胀为无阻膨胀，但压缩过程却不能自发进行。
四、混合过程两种气体或者液体混合是常见的自发过程，混合后再分开就无法自发进行。
五、燃烧过程燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等)，只要达到燃烧条件即可自发进行，而燃烧产物越无法不花代价就还原为燃料。
结论:自然的过程是具有方向性的，是不可逆的。
如果要逆向进行，就必须付出某种代价或者具有补充条件。
5.1.2 热力学第二定律的实质人们通过长期的实践发现自然过程进行的方向性，这些经验被总结为热力学第二定律，方向性是根本的内容。
在这里要注意，热力学第一、第二定律都是根据实践经验得来的，与所有经验型定律一样，不能被证明，只能验证。
热力学第二定律涉及范围非常广泛，如热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体的扩散混合、辐射、生物化学、低温物理、信息理论、气象学等，都需要用到它来判断过程进行的方向性、发生条件和进行深度，因此在应用到哪个领域的时候都有适应于该领域的表述方法。
不同角度的叙述方式描述的本质都是相同的。
下面介绍两种应用最广的叙述方式：1、克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。
人教版热力学第二定律的表述及其实质
Q1’
Q1
T1
W‘
b
W
a
T2
Q2‘
Q2
|Q2|-|Q2’|
T1
Q1’
b
a
Q2’
Q2’
T2
|Q2|-|Q2’|
7
例5.1 P.225
例5.2 P.226
热力学温标：
热机效率：
W ' 1 Q2
例5.6 P.235
17
2、熵增加原理
大量实验事实证明： 热力学系统从一平衡态绝热地到达另一个平衡态的过程中， 它的熵永不减少。若过程是可逆的，则熵不变；若过程是 不可逆的，则熵增加。
不可逆绝热过程总是向熵增加的方向变化，可逆绝热过程 总是沿等熵线变化。
可以证明，熵增加原理就是热力学第二定律。
对于一个绝热的不可逆过程，其按相反次序重复的过程不 可能发生，因为这种情况下的熵将变小。
13
T
dT
V
S S0
T0 vCV ,m
T
vR ln V0
也可以表达为：
pV RT , dV dT dp
V Tp
dS
vC p,m
dT T
vR ln
p p0
T
dT
p
S S0
T0 vC p,m
T
vR ln p0
14
三、温—熵图
在一个有限的可逆过程中，系统从外界所吸收的热量为：
2、熵是态函数； 3、若把某一初态定为参考态，则：
S
S0
热力学的第二定律
热力学的第二定律热力学第二定律是关于内能与其他形式能量相互转化的独立于热力学第一定律的另一基本规律。
热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下逐步被发现的，并用于解决与热现象有关过程进行的方向问题。
热力学第一定律揭示了在改变一系统状态的过程中，功和热是等效的，并提示功变为热或热变为功时，功和热之间存在着一定的数量关系。
然而，经验证明，连续的将功完全变为热量可以实现的，而连续的将热完全变为功却是不可能的。
热力学第一定律不能说明这一事实以及关于过程进行方向的其他事实。
能够说明过程进行方向的是由经验归纳出来的，独立于第一定律的热力学第二定律。
研究大量的不可逆过程，发现可以从一种过程的不可逆性经过逻辑推理证明另一过程的不可逆。
这种推理的基础是一切不可逆 过程都有内在联系。
我们可以比较方便选择对一种不可逆过程的表述作为热力学第二定律的一种表述。
在热力学第一、二定律建立起来以前，卡诺探讨提高热机效率的途径，总结出后来称为卡诺定理的两个命题。
应用卡诺定理，从可逆卡诺循环建立起热力学温标。
克劳修斯从卡诺定理和卡诺循环导出克劳修斯等式和不等式，找到了系统的一个状态函数—熵，并证明了熵增加原理，克劳修斯将热力学第二定律用数学形式表达出来，避免了使用复杂的逻辑推理方法，方便的判断过程能否自发进行和判断过程进行的方向。
一、热力学的第二定律的开尔文表述：法国人巴本发明了第一部蒸汽机，英国人纽可门制作的大规模把热变为机械能的蒸汽机从1712年起在全英国煤矿普及使用，其后瓦特改进的蒸汽机在十九世纪已在工业上得到广泛使用，提高热机效率问题成为当时生产中的重要课题。
热机效率公式为：121QQ-=η从这个公式看来，若热机工作物质在一循环中，向低温热源放的热量Q 2越少，而机械效率就越高。
若设想η=1=100% 。
Q 2必为Q 2=0 这就要求工作物质在一循环中，把从高温热源处吸收来的热量全部转化为有用的机械功，而工作物质又回到了原来的热力学状态。
热力学第二定律
热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的基本原理之一，它描述了热量传递的方向性和不可逆性。
本文将详细介绍热力学第二定律的基本概念、研究方法以及与其他热力学定律的关系。
一、热力学第二定律的基本概念热力学第二定律是热力学中关于热量传递方向性的基本法则。
它表明，在孤立系统中，热量自然地从高温物体传递到低温物体，而不会反向传递。
这一定律提供了能量流动的方向性，使热力学成为一门具有普适性的科学。
热力学第二定律可以通过多个等效的表述形式来描述，其中最常见的是开尔文－普朗克表述和克劳修斯表述。
1.开尔文－普朗克表述：不可能存在能从单一热源吸热并完全转化为功的过程。
这一表述意味着热量无法完全转化为机械功，总会有部分热量被浪费掉。
它反映了热量传递的不可逆性，即热量只能从高温物体流向低温物体。
2.克劳修斯表述：不可能存在一个过程，使之从低温物体吸热并完全转化为功而不引起其他影响。
这一表述揭示了热力学第二定律与其他物理过程之间的联系。
它说明了热量传递的方向性不仅与热源的温度有关，还与系统的绝对温度有关。
二、热力学第二定律的研究方法为了研究热力学第二定律，科学家们提出了多种方法和理论，其中最重要的是熵的概念和热力学不等式。
1.熵的概念熵是描述系统无序程度的物理量，它是热力学中的一个基本概念。
熵增原理是研究热力学第二定律的重要方法之一。
它表明，在孤立系统中，熵不会减少，而总是不断增加，直到达到最大值。
2.热力学不等式热力学不等式是描述热力学过程不可逆性的重要方法。
它将熵的增加与热量传递的方向性联系在一起。
热力学不等式表明，孤立系统中，热量只能由高温物体向低温物体传递，而不能反向传递。
三、热力学第二定律与其他热力学定律的关系热力学第二定律与其他热力学定律之间存在着密切的关系。
它与热力学第一定律和第零定律共同构成了热力学基本原理的体系。
1.热力学第一定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，描述了能量的守恒原理。
它说明了能量在物理过程中的转化和守恒。
对热力学第二定律两种表述的理解
对热力学第二定律两种表述的理解中学生数理化高考版我们应该有恒心,尤其要有自信心.居里夫人对热力学第二定律两种表述的理解江苏戎世忠热力学第二定律是热学考试命题的热点之一,题型多以选择、填空的形式出现,解题的关键是对热力学第二定律要有深刻的理解.一、对热力学第二定律两种表述的理解热力学第二定律有多种表述形式,最常见的表述形式一是克劳修斯的表述: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.二是开尔文的表述:不可能从单一热源吸热,并把它全部用来做功,而不引起其他变化.克劳修斯是从热传导的方向性来表述的:热传导的过程是有方向性的,在这个过程中,热量能自发地从高温物体传给低温物体,使高温物体的温度降低,低温物体的温度升高,但相反的方向是不能自发地进行.要实现热量由低温物体转移到高温物体,使高温物体温度更高,低温物体温度更低,必须借助外界的帮助,从而引发其他变化.在这个表述中!自发?二字指的是:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传给另一个物体.当两个温度不同的物体接触时,这个!自发?的方向是从高温物体指向低温物体的.此种表述的实质是:若不允许产生!其他变化?,则热量从低温物体传到高温物体的热力学过程是不能发生的;若允许产生!其他变化?,则热量是可以从低温物体传到高温物体的.制冷机(电冰箱)的工作原理如图所示,热量Q 2从低温热源传到高温热源,是由于外界对系统作了功W 产生了!其他变化?,而不是热量自发地从低温物体传到高温物体的.开尔文是从机械能和内能转化的方向性来表述的:通过一定装置机392008年第10期求实篇基本概念辨析中学生数理化高考版械能可以全部转化成内能,但是内能却不能自发地完全转化成机械能,要实现内能完全转化成机械能,必须借助其他物理变化,即机械能和内能的转化是具有方向性的.此种表述的实质是:若从单一热源吸收热量,并把它完全用来做功,同时又不允许产生其他变化,则这种热力学过程是不可能发生的;若允许产生其他变化,则从单一热源吸收热量,并把它全部用来做功这种热力学过程是能够发生的.理想气体的等温膨胀过程,根据热力学第一定律有Q1= U+W.其中Q1是从单一热源吸收的热量,W是对外界所做的功,由于是等温过程,所以 U=0,则Q1=W,即从单一热源吸收的热量,并把它完全用来做功,但同时产生了!其他变化? 气体的体积膨胀了.热力学第二定律的上述两种说法是等效的,如果其中一种表述不成立,可以证明另一种表述也不成立.热力学第二定律还有许多不同的说法(如效率为100%的热机不可能实现等),上述两种说法只是各选择了一种比较典型的热现象加以说明的.其实质是自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.它揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性.热力学第二定律是大量实验事实的总结,是在有限的时间、空间内得出的宏观规律,因此它不适用于由少量粒子构成的微观体系,也不能把它外推到整个宇宙空间.有了天才不用,天才一定会衰退的,而且会在慢性的腐朽中归于消灭.克雷洛夫二、热力学第二定律的典型问题分析例1 根据热力学第二定律,可知下列说法中正确的是( ).A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可能从低温物体传到高温物体C.机械能可以全部转化为热量,但热量不可能全部转化为机械能D.机械能可以全部转化为热量,热量也可能全部转化为机械能解析:根据热传递的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体;当外界对系统做功时,可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体,制冷机(如冰箱和空调)就是这样的装置.但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体.所以选项A错,选项B正确.一个运动的物体,克服摩擦阻力做功最终停止.在这个过程中机械能全部转化为热量.外界条件发生变化时,热量也可以全部转化为机械能;如在等温膨胀过程中,系统吸收的热量全部用来对外界做功,所以选项C 错误,选项D正确.40求实篇基本概念辨析 2008年第10期中学生数理化高考版例2 根据热力学第二定律,下列判断正确的是( ).A.电流的能量不可能全部变为内能B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能D.从单一热源吸收的热量全部用来做功是可能的解析:根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,电流的能量可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知),而内能不可能全部变为电流的能;机械能可以全部转化成内能,而内能不可能自发地全部变成机械能;从单一热源吸收的热量可能全部用来做功,如理想气体的等温膨胀.所以,选项B 、C 、D 正确.一年之计,莫如树谷;十年之计,莫如树木;终身之计,莫如树人.管仲例3 第二类永动机不可能制成,是因为( ).A.它违背了能量守恒定律B.热量总是从高温物体传递到低温物体C.机械能不能全部转化为内能D.内能不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化解析:第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律,但却违背了涉及热现象的能量转化过程是有方向性的规律,故选项A 错;在引起其他变化的情况下,热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体,所以选项B 错;机械能可以全部转化为内能,如物体克服摩擦力做功的过程,选项C 错;由热力学第二定律知选项D 正确.(责任编辑李国庆)三聚氰胺假蛋白原理由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷,三聚氰胺常被不法商人用作食品添加剂,以提升食品检测中的蛋白质含量指标,因此三聚氰胺也被人称为!蛋白精?.蛋白质主要由氨基酸组成,其含氮量一般不超过30%,而三聚氰胺的分子式含氮量为66%左右.通用的蛋白质测试方法!凯氏定氮法?是通过测出含氮量来估算蛋白质含量,因此,添加三聚氰胺会使得食品的蛋白质测试含量偏高,从而使劣质食品通过食品检验机构的测试.有人估算在植物蛋白粉和饲料中使测试蛋白质含量增加一个百分点,用三聚氰胺的花费只有真实蛋白原料的1/5.三聚氰胺作为一种白色结晶粉末,没有什么气味和味道,掺杂后不易被发现.412008年第10期求实篇基本概念辨析。
热力学第二定律详解
热力学第二定律（英文：seco nd law of thermody namics ）是热力学的四条基本定律之一，表述热力学过程的不可逆性一一孤立系统自发地朝着热力学平衡方向最大熵状态演化，同样地，第二类永动机永不可能实现。
这一定律的历史可追溯至尼古拉•卡诺对于热机效率的研究，及其于1824年提出的卡诺定理。
定律有许多种表述，其中最具代表性的是克劳修斯表述（1850 年）和开尔文表述（1851年），这些表述都可被证明是等价的。
定律的数学表述主要借助鲁道夫•克劳修斯所引入的熵的概念，具体表述为克劳修斯定理。
虽然这一定律在热力学范畴内是一条经验定律，无法得到解释，但随着统计力学的发展，这一定律得到了解释。
这一定律本身及所引入的熵的概念对于物理学及其他科学领域有深远意义。
定律本身可作为过程不可逆性旦:P.262及时间流向的判据。
而路德维希•玻尔兹曼对于熵的微观解释一一系统微观粒子无序程度的量度，更使这概念被引用到物理学之外诸多领域，如信息论及生态学等克劳修斯表述克劳修斯克劳修斯表述是以热量传递的不可逆性（即热量总是自发地从高温热源流向低温热源）作为出发点。
虽然可以借助制冷机使热量从低温热源流向高温热源，但这过程是借助外界对制冷机做功实现的，即这过程除了有热量的传递，还有功转化为热的其他影响。
1850年克劳修斯将这一规律总结为: 不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响开尔文表述参见：永动机#第二类永动机开尔文勋爵开尔文表述是以第二类永动机不可能实现这一规律作为出发点。
第二类永动机是指可以将从单一热源吸热全部转化为功，但大量事实证明这个过程是不可能实现的。
功能够自发地、无条件地全部转化为热；但热转化为功是有条件的，而且转化效率有所限制。
也就是说功自发转化为热这一过程只能单向进行而不可逆。
1851年开尔文勋爵把这一普遍规律总结为:不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响两种表述的等价性上述两种表述可以论证是等价的：1.如果开尔文表述不真，那么克劳修斯表述不真：假设存在违反开尔文表述的热机A，可以从低温热源匚吸收热量’”并将其全部转化为有用功：…。
FreeKaoYan_第五章 热力学第二定律与熵
第五章热力学第二定律与熵自然界中有一大类问题是不可逆的，而有关可逆与不可逆的问题正是热学要研究的，这就是热力学第二定律。
为了把过程方向的判断提高到定量水平，必须引入态函数熵。
§5.1第二定律的表述及其实质§5.1.1热力学第二定律的两种表述及其等效性(一)第二定律的开尔文表述(kelvin's statement of second thermodynamics Law)蒸汽机大量推广应用以后，不少人试图设计制造各种不需能源的热机，称之为第二类永动机.大量事实均说明，一切热机不可能从单一热源吸热把它全部转化为功。
功能够自发地、无条件地全部转化为热；但热转化为功是有条件的，而且其转化效率有所限制(这是功和热量的另一本质区别)。
也就是说功自发转化为热这一过程只能单向进行而不可逆转，因而是不可逆的。
1851年开尔文勋爵(即W·汤姆逊)把这一普遍规律总结为第二定律的开尔文表述: 不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
需要指出，开尔文表述中提到的“单一热源”指温度处处相同恒定不变的热源。
“其他影响”指除了“由单一热源吸收热量全部转化为功”以外的任何其他变化。
开尔文表述指出，系统在吸热对外作功的同时必然会产生热转化为功以外的其他影响。
例如，可逆等温膨胀确是从单一热源吸热全部转化为功的过程，但气缸中的气体在初态时体积较小，末态时体积较大，这是外界(气缸和活塞)对气体分子活动范围约束的不同，也就是对系统产生的不同影响。
(二)克劳修斯表述(Clansius's statement of second thermody namics Law)开尔文表述揭示了自然界普遍存在的功转化为热的不可逆性。
此外，自然界还存在热量传递的不可逆性。
虽然我们可借助制冷机实现热量从低温热源流向高温热源，但这需要外界对制冷机作功(这部分最后还是转变为热量向高温热源释放了)。
热力学第二定律的两种表述及其等效性
热力学第二定律的两种表述及其等效性热力学第二定律的两种表述及其等效性1热力学第二定律的开尔文表述2热力学第二定律的克劳修斯表述3两种表述的等效性问题的提出:能否制造效率等于100%的热机?211||1Q W ηQ Q '==-热当|Q 2|=0时, W′=Q 1, η热=100%高温热源T 1低温热源T 21Q 1W Q =02＝Q 工作物质从单一热源吸收热量而对外作功。
若热机效率能达到100%, 则仅地球上的海水冷却1℃ , 所获得的功就相当于1014t 煤燃烧后放出的热量。
1. 热力学第二定律的开尔文表述从单一热源吸热并将其全部用来作功，而不放出热量给其它物体的机器(η =100%) .高温热源T 1低温热源T 21Q 1W Q '=热力学第二定律的开尔文表述 : 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
开尔文说法反映了功热转换的不可逆性。
l 第二类永动机：(1) 热力学第二定律开尔文表述 的另一叙述形式:第二类永动 机不可能制成. 热功转化具有方向性说明21111Q W Q Q η'==-<热(2) 热力学第二定律的开尔文表述 实际上表明了低温热源T 2高温热源T 12Q 21Q Q =当|Q 2|=Q 1时, W =0, 2212||Q Q W Q Q η==-冷0W =热量可以自动地从低温物体传向高温物体.实践证明:自然界中符合热力学第一定律的过程不一定都能实现，自然界中自然宏观过程是有方向性的.η=∞冷2. 克劳修斯表述(Clausius's statement of second thermodynamics law)克劳修斯表述(Clausius‘s statement of second thermodynamics law)：不可能使热量自动地从低温物体传向高温物体，而不产生其他影响。
克劳修斯说法反映了热传导过程的不可逆性。
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反证法证明两种表述的等效性
• 前面在热力学第一定律中讲到功和热量的区别和联 系,它们的区别和联系分别是什么?
• 热力学第二定律在讲到功和热量时要揭示另一本质 区别。
这一区别由热力学第二定律的开尔文表述来说明。 功能够自发地、无条件地全部转化为热；
但热转化为功是有条件的，而且其转化效率有所限制, • 也就是说功自发地转化为热这一过程只能单向进行
而不可逆转，因而是不可逆的。 开尔文(即W·汤姆逊)把这一普遍规律总结为：
热力学第二定律的开尔文表述 : 不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为
有用功而不产生其他影响。
需要指出，开尔文表述中提到的“单一热源”指温 度处处相同恒定不变的热源。
“其他影响”指除了“由单一热源吸收热量全部转化 为功”以外的任何其他变化。
§5.1 热力学第二定律的表述及其实质
§5.1.1热力学第二定律两种表述及等效性
• 热力学第二定律的表述方法可以有很多种,这不同于别 的定律.现在主要介绍两种重要表述。
• (一)热力学第二定律的开尔文表述 • 蒸汽机大量推广应用后，不少人试图设计制造各
种不需能源的热机，称为第二类永动机， • 例如轮船在海上航行不需能源,只需要从海水中吸收热
是“从单一热源吸热全部转化为功”以外的其它影 响。
(二)热力学第二定律的克劳修斯表述
• 开尔文表述揭示了自然界普遍存在的功转化为热的
不可逆性。 • 此外，自然界还存在热量传递的不可逆性。 • 热量总是自发地从高温物体传递到低温物体。 • 克劳修斯于1850年将这一规律总结为:
热力学第二定律的克劳修斯表述： 不可能把热量从低温物体传到高温物体而
量把它全部转变为功,这不违背热力学第一定律。 • 这是否可能?
• 假如可能,人类就不需要任何能源,也不存在任何能 源危机了。
• 大量事实均说明，一切热机不可能从单一热源吸热 把它全部转化为功而不产生其它影响。
• 这就是热力学第二定律. • 能源和能源危机来源于热力学第二定律.热力学第二
定律多么重要!
• 不产生其他影响。
也可表述为“热量不能自发地从低温物体传到高温物 体”。
问题： • 制冷机是把热量从低温热源流向高温热源的机械。 • 这是否违背克劳修斯表述？ • 没有！ • 因为这需要外界对制冷机作功(这部分功最后还是转变
为热量向高温热源释放了)。 • 在制冷机运行过程中，除了热量从低温热源流向高温
热源之外，还产生了功自发地转化为热这一种“其他影 响”。
(三)两种表述的等效性
• 开尔文表述和克劳修斯表述是两类不同的现象，其
表述很不相同。 只有在两种表述等价的情况下，才可把它们同时称 为热力学第二定律。 我们要用反证法来证明这两种表述的等价性。 为什么要用反证法证明等价性? 因为这两种表述都 是否定式的命题。
开尔文表述指出，系统在吸热对外作功的同时必然会
产生热转化为功以外的其他影响。
问题: 可逆等温膨胀是从单一热源吸热全部转化为 功的过程。这是不是违背开尔文表述? 没有! 因为气缸中的气体在初态时体积较小，末态时体积 较大。这已经是外界(指气缸和活塞)对气体分子活动 范围不同的约束，也就是对系统产生的影响。