热力学第二定律
热力学第二定律
(4) 等容变温过程 S
T2
T1
CV dT T
T2 T2 若CV为常数得 S CV ln nCV,m ln T1 T1
(5) 理想气体的状态改变过程
T2 V2 S nCV ,m ln +nR ln T1 V1 T2 p1 S nC p ,m ln +nR ln T1 p2 S nC p ,m ln V2 p +nCV ,m ln 2 V1 p1
T
值愈大，不可逆程度愈高（若不接受非体积功， 则是一自发过程；否则则为非自发过程）。
=
＜
可以发生，且是可逆过程。
此过程不可能发生。
熵增加原理
1. 绝热体系
∆S绝热 ≥ 0 或 dS绝热 ≥ 0
表明：绝热不可逆过程中体系的熵增加，绝热可逆过程
体系的熵不变；绝热体系不可能发生一个熵减小的过程。
这称为绝热过程的熵增加原理，也称热力学第二定律的 熵表述。 ＞0 时，过程可发生，且是绝热不可逆的 ∆S绝热 （自发，不自发）
热力学第二定律的两种表述
Clausius( 克劳修斯 ) 表述：不能把热从低温物体传到高
温物体而不产生任何其他影响。 Kelvin(开尔文)表述：不可能从单一热源吸收热量使之 完全转化为功，而不引起其他变化。即第二类永动机
是不可能造成的。
第二类永动机：从单一热源吸收热量，并将所吸收的热 全转化为功而无其他影响。
(6) 等温等压下理想气体的混合过程
S Rni ln xi
2．相变过程
(1) 对可逆相变过程
对等温等压下的可逆相变∆S为
QR ΔH (可逆相变潜热） S T T
(2) 对不可逆相变 （举例说明） 设计 始末态相同的可逆过程再计算∆S
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领域中的基本定律之一，它描述了自然界中的物质运动和能量转化的方向性。
本文将详细介绍热力学第二定律的概念、原理及其在热力学系统中的应用。
1. 热力学第二定律的概念热力学第二定律是指在孤立系统中，任何自发过程都会导致熵的增加，而不会导致熵的减少。
其中，孤立系统是指与外界没有物质和能量交换的系统，熵是描述系统无序程度或混乱程度的物理量。
2. 热力学第二定律的原理热力学第二定律有多种表述形式，其中最常用的是凯尔文-普朗克表述和克劳修斯表述。
2.1 凯尔文-普朗克表述凯尔文-普朗克表述认为不可能通过单一热源从热能的完全转化形式（即热量）中提取能量，并将其完全转化为功。
该表述包括两个重要概念：热机和热泵。
热机是指将热能转化为功的设备，而热泵则是将低温热源的热量转移到高温热源的设备。
2.2 克劳修斯表述克劳修斯表述认为不可能存在这样的过程：热量从低温物体自发地传递到高温物体。
这一表述可由热力学第一定律和熵的概念推导得出。
3. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在能量转化和机械工程领域具有广泛的应用。
以下将介绍几个实际应用。
3.1 热机效率根据热力学第二定律，热机的效率不可能达到100%，即不可能将一定量的热能完全转化为功。
热机的效率定义为输出功与输入热量之比，常用符号为η。
根据卡诺热机的理论，热机的最高效率与工作温度之差有关。
3.2 热力学循环过程热力学循环过程是指系统在经历一系列状态变化后，最终回到初始状态的过程。
根据热力学第二定律，热力学循环过程中所涉及的热机或热泵的效率不可能大于卡诺循环的效率。
3.3 等温膨胀过程等温膨胀过程是热力学第二定律的应用之一。
在等温膨胀过程中，系统与热源保持恒温接触，通过对外做功来改变系统的状态。
根据热力学第二定律，等温膨胀过程无法实现自发进行，必须进行外界功输入才能实现。
4. 热力学第二定律的发展和突破随着科学技术的发展，人们对热力学第二定律的认识不断深化。
热力学第二定律详解
热力学第二定律（英文：second law of thermodynamics）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——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[2]: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——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。
热力学第二定律
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
3-D Pie Chart
第五节 熵方程和熵增原理
图8-10 柴油机理想循环
第一节 自然过程的方向性
图8-1 摩擦耗散
第二节 热 力 循 环
一、热力循环的概念及分类
第二节 热 力 循 环
在工质的热力状态变化过程中，通过工质的体积膨胀可以将热能转化为机械能而做功。但是任何一个热力膨胀过程都不可能一直进行下去，而且连续不断地做功。因为工质的状态将会变化到不适宜继续膨胀做功的情况。例如，通过定温膨胀过程或绝热膨胀过程做功时，工质的压力将降低到不能做功的水平。此外，机器设备的尺寸总是有限的，也不允许工质无限制地膨胀下去。为使连续做功成为可能，工质在膨胀做功后还必须经历某些压缩过程，使它回复到原来的状态，以便重新进行膨胀做功的过程。这种使工质经历一系列的状态变化后，重新回复到原来状态的全部过程称为热力循环。在状态参数平面坐标图上，热力循环的全部过程一定构成一个闭合曲线，整个循环可看作一个闭合过程，所以也称为循环过程。
第二节 热 力 循 环
图8-4 逆向循环的p-v、T-s图
第二节 热 力 循 环
四、可逆循环和不可逆循环 全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环，它可以是正向，也可以是逆向的。经过一个正向的可逆循环和一个相应的逆向可逆循环之后，整个系统（包括工质、高温热源和低温热源)都回复到原来状态，而不留下任何改变。
第四节 卡诺循环和卡诺定理
第五节 熵方程和熵增原理
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重要定律之一，它描述了热量在自然界中的传递方向。
热力学第二定律对于理解能量转化和宇宙演化具有重要意义。
在本文中，我们将探讨热力学第二定律的基本原理和应用。
1. 热力学第二定律的基本原理热力学第二定律可以从不同角度进行表述，但最为常见的是开尔文-普朗克表述和卡诺定理。
1.1 开尔文-普朗克表述开尔文-普朗克表述中，热力学第二定律可以简要地概括为“热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
”这意味着热量的传递是不可逆的，自然趋向于热量从高温物体传递到低温物体。
1.2 卡诺定理卡诺定理是另一种常见的表述方式，它描述了理想热机的最高效率。
根据卡诺定理，任何一台工作在两个温度之间的热机的效率都不会超过理论上的最高效率，这个最高效率由热源温度和冷源温度决定。
2. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有重要的应用，下面我们将介绍几个常见的应用领域。
2.1 工程领域在工程领域中，热力学第二定律被广泛运用于热能转化系统的设计和优化。
例如，在汽车发动机中，通过合理设计燃烧过程、热能回收和废热利用等手段，可以提高发动机的效率，减少能量的浪费。
2.2 环境科学热力学第二定律的应用也涉及到环境科学领域。
例如，根据热力学第二定律的原理，热力学模型可以用于预测和评估环境中的能量传递和转化过程。
这有助于我们更好地理解和管理环境资源。
2.3 生命科学热力学第二定律在生命科学中也有广泛的应用。
生物体内的能量转化和代谢过程都受到热力学定律的限制。
通过热力学模型的建立和分析，可以深入研究生物体内能量转化的机理与调控。
3. 热力学第二定律的发展与挑战热力学第二定律的发展经历了许多里程碑，但仍然存在一些挑战和未解之谜。
3.1 热力学第二定律与时间箭头热力学第二定律与时间箭头之间的关系是一个待解之谜。
根据热力学第二定律，熵在一个封闭系统中总是增加的，即系统总是趋向于混乱状态。
然而，宇宙的演化似乎表明时间具有一个明确的方向，即宇宙从低熵状态（有序状态）向高熵状态（混乱状态）演化。
热力学第二定律
热力学第二定律摘要热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处(在自然状态下）。
它是关于在有限空间和时间内,一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。
热力学第二定律有两种经典表述，二者表述具有等效性。
热力学第二定律揭示了实际宏观过程的不可逆性。
热力学第二定律在科学发展上具有很多的意义，也揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性.关键词热力学第二定律,卡诺循环，意义，不可逆，历史发展引言本论文主要是以大一学年，热学课程为背景选材。
热力学第二定律是有关热和功等能量形式相互转化的方向与限度的规律，进而推广到有关物质的变化过程的方向与限度的普遍规律.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。
本论文主要是对热力学第二定律的初步理解与分析.一、热力学第二定律的两种经典表述1。
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。
解释：1）这里强调的是“不留下其他任何变化”,是指对热机内部、外界环境及其他所有(一切)物体都没有任何变化.开尔文－普朗特说法说明了热转化为功,必须要将一部分热量转给低温物体(注意,这可是一个自发过程，高温向低温传热哦），也即必须要有一个“补偿过程”为代价2）热全部转化为功，是可以的,但必须要“留下其他变化”。
如等温过程中,热可以全部转变成功，但这时热机内部工质的“状态"变了（即工质不能回到初始状态，其实，这样的热机实际上是不存在的）,是留下了变化的.2。
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产生任何其他影响。
解释：1)这里需要强调的是“自发地、不付代价地”。
我们通过热泵装置是可以实现“将热从低温物体传向高温物体的”，但这里是付出代价的，即以驱动热泵消耗功为代价,是“人为"的，是“强制”的，不是“自发”的。
热力学第二定律
§10.8热力学第二定律一、热力学第二定律任务自然界中发生的过程总是有方向的。
热力学第二定律正是反映了自然界中热力学过程的方向性问题，是自然界经验的总结。
二、热力学第二定律的两种表述 1、开尔文表述（开氏表述）：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其它变化。
说明：1）前提：即工作物质必须循环动作和其它物体不发生任何变化。
2）开尔文说法是从功热转化的角度出发的，它揭示了功热转换是不可逆的，即3）开尔文表述可等价说成“第二类永动机是不可能制造出来的。
” 2、克劳修斯表述（克氏表述）：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。
注意：1）条件：“自动地”2）表明热传递的不可逆性 3、两种表述的等效性1）开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立；若开氏说法不成立，则热机可从高温热源吸收热量Q 1，全部用来对外作功A= Q 1；这个功A 可用来驱动一台致冷机，从低温热源吸收热量Q 2，同时向高温热源放出热量Q 2+ A= Q 2+ Q 1。
两者总的效果是低温热源的热量传到了高温热源，而没产生其它影响，显然违反了克劳修斯说法。
2）克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立；若克劳修斯说法不成立，即热量可自动地从低温热源传到高温热源。
考虑一台工作于高温热源与低温热源的热机。
从高温热源吸收热量Q 1，向低温热源放出热量Q 2，则Q 2能自动地传到高温热源；两者总的效果是热机把从高温热源吸收的热量全部用来对外作功，这显然违反开氏说法。
由此，可以看出热力学第二定律的表述是多种多样的，而且不同的表述是可以相互沟通的。
三、热力学第二定律的本质 1、可逆过程与不可逆过程一个热力学系统经历一个过程P ，从状态A 变到状态B ，若能使系统进行逆向变化，从状态B 又回到状态A ，且外界也同时恢复原状，我们称过程P 为可逆过程；反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则称为不可逆过程。
热力学第二定律
三. 玻尔兹曼熵
为了理论上的需要，玻尔兹曼定义了描述系统 为了理论上的需要，玻尔兹曼定义了描述系统 宏观态无序性的态函数—玻尔兹曼熵 宏观态无序性的态函数 玻尔兹曼熵
S = k ln Ω
玻尔兹曼熵公式
是对分子无序性的量度。 玻尔兹曼熵 S 是对分子无序性的量度。
孤立系的熵变 熵增原理
孤立系经历不可逆过程 孤立系经历不可逆过程从状态 1 变化到状态 2 经历不可逆过程从状态
∆S = ∫
2
1
2 RdV 2 pdV V2 dQ =∫ = R ln =∫ 1 1 V V1 T T
绝热自由膨胀过程是不可逆过程 可假设一可逆过程 ∆S irrev
V2 = R ln V1
混合物的熵。 例3.14 混合物的熵。质量为 0.4kg、温度为 30ºC的 、 的 水与质量为 0.5kg、温度为 90ºC 的水放入一绝热容 、 器中混合起来达到平衡，求混合物系统的熵变。 器中混合起来达到平衡，求混合物系统的熵变。 解：设混合后的温度为 T，c 为水的比热 ， 由能量守恒得
四、卡诺定理
（1）在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工作 物质的可逆机，都具有相同的效率； 物质的可逆机，都具有相同的效率； 可逆机 （2）工作在相同的高温热源和低温热源之间一切不可逆 工作在相同的高温热源和低温热源之间一切不可逆 机的效率都不可能大于可逆机的效率。 机的效率都不可能大于可逆机的效率。
Q1 Q2 = T1 T2
热温比
重新规定 Q 正负号
Q T
等温过程中吸收或放出的热 量与热源温度之比。 量与热源温度之比。
可逆卡诺循环中，热温比总和为零。 ★ 结论 ： 可逆卡诺循环中，热温比总和为零。
任意可逆循环可视为由许多小卡诺循环所组成
热力学第二定律
1、 气、液、固体的定p或定V的变T 过程
定压变温过程：由δQp=dH=nCp,mdT
得：S＝ 2 Qr T2 nC p,m dT ;
1T
T1 T
视C
为常
p,m
数
S
nC
p ,m n
T2 T1
(2-4-1)
定容变温过程：由δQV=dU=nCV,mdT
同理得：S
nCV ,mn
自发
S孤立 0 或 dS孤立 0平衡
(2-3-4) (2-3-5)
熵增加原理：系统经绝热过程由一状态到达另一状态， 熵值不减少；自发变化的结果，必使孤立系统的熵增加 (孤立系统中可以发生的实际过程都是自发过程)。
方向：孤立系统的熵增加
限度：孤立系统熵值达到最大——平衡态。
二、 熵增原理及平衡的熵判据
mix
S
SA nARn
S 1 yA
BnBnRARnny1VB AVAVnBRBnByRBnnyVBAV(B2V-4B-6)
∵yB < 1，∴ΔmixS > 0
结论：定T定p理气混 合过程系统熵增加
nA, V ＋ nB, V 定温定容 nA+nB, V
AT
BT
BQir BQr S
AT
AT
得：S BQ
AT
或
dS
Q
T
不可逆 可逆
(2-3-3)
——热力学第二定律的数学表达式 依具体情况方向判据的形式
二、 熵增原理及平衡的熵判据
绝热过程，δQ=0，则有
S绝热 0
或
不可逆
dS绝热 0 可逆
热力学第二定律
第二章热力学第二定律2.1 自发变化的共同特征自发变化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。
例如：(1)焦耳热功当量中功自动转变成热；(2)气体向真空膨胀(3)热量从高温物体传入低温物体；(4)浓度不等的溶液混合均匀；(5)锌片与硫酸铜的置换反应等，它们的逆过程都不能自动进行。
当借助外力，体系恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响。
2.2热力学第二定律（T h e S e c o n d L a w o f T h e r m o d y n a m i c s）克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。
”开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。
” 后来被奥斯特瓦德(Ostward)表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。
第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。
2.3卡诺循环与卡诺定理2.3.1卡诺循环（C a r n o t c y c l e）1824 年，法国工程师N.L.S.Carnot (1796~1832)设计了一个循环，以理想气体为工作物质，从高温T h热源吸收Q h的热量，一部分通过理想热机用来对外做功W，另一部分Q c的热量放给低温热源T c。
这种循环称为卡诺循环.1mol 理想气体的卡诺循环在pV图上可以分为四步：过程1：等温T h可逆膨胀由p1V1到p2V2(A B)10U ∆= 21h 1lnV W nRT V =- h 1Q W =- 所作功如AB 曲线下的面积所示。
过程2：绝热可逆膨胀由 p 2V 2T h 到p 3V 3T c (BC)20Q = ch 22,m d T V T W U C T =∆=⎰所作功如BC 曲线下的面积所示。
过程3：等温(T C)可逆压缩由p 3V 3 到p 4V 4(CD)30U ∆=43c 3lnV W nRT V =- 环境对体系所作功如DC 曲线下的面积所示 过程4：绝热可逆压缩由 p 4V 4T c 到p 1V 1 T h (DA)40Q =hc44,m d T V T W U C T =∆=⎰环境对体系所作的功如DA 曲线下的面积所示 整个循环：0U ∆=Q h 是体系所吸的热，为正值，Q Q Q =+c h Q c 是体系放出的热，为负值。
热力学第二定律
定理定律
01 定律表述
03 定律质疑
目录
02 定律解释
热力学第二定律（second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，克劳修斯表述为：热量不能 自发地从低温物体转移到高温物体。开尔文表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其 他影响。熵增原理：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即 “熵”）不会减小。
也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵总是增加的。这个规 律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演 变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。
第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件： 1．该系统是线性的； 2．该系统全部是各向同性的。 另外有部分推论：比如热辐射：恒温黑体腔内任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性 质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。
主词条：热寂论
热寂热寂论是把热力学第二定律推广到整个宇宙的一种理论。宇宙的能量保持不变，宇宙的熵将趋于极大值， 伴随着这一进程，宇宙进一步变化的能力越来越小，一切机械的、物理的、化学的、生命的等多种多样的运动逐 渐全部转化为热运动，最终达到处处温度相等的热平衡状态，这时一切变化都不会发生，宇宙处于死寂的永恒状 态。宇宙热寂说仅仅是一种可能的猜想。
第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用， 由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人 们就用状态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明:
热力学第二定律
第3节 卡诺循环与卡诺定理
1、 卡诺循环
– 它是工作在高温热源T1和低温热 源T2之间的一个可逆循环。由两 个定温过程和两个定熵过程组成。
其热效率： t ,c
1 q2 q1
1 T2 T1
T1 T2 T1
– 由上式可知：
–1）卡诺循环的热效率的大小只决定于热源温度T1 及冷源温度T2。 –2）卡诺循环热效率总是小于1。只有当T1=或 T2=0时，热效率才可能等于1。
3、 热力学第二定律的其他说法
1.在广义坐标不变的情况下（比如容积不变），绝热 系统内能不可能减少。
2.在系统的任何一个状态附近，总存在一些不能依靠 绝热过程达到的状态。
3.凡自发过程，其结果必使能量品质下降，可用能减 少。
4.自发过程是不可逆的。
4、 热力学第二定律各种说法的一致性
由反证法证明两种经典说法的一致性： 若开—普说法不成立，则克氏说法也不成立；若克 氏说法不成立，则开—普说法也不成立。
第5章 热力学第二定律
热力学第一律说明能量量的守恒性， 热力学第二定律则是说明能量质的不守
恒性。
第1节 第二定律的实质及表述
1、 过程的方向性与不可逆性
l凡是牵涉到热现象的一切过程，都有一定的方向性 与不能逆性。如：传热、摩擦、扩散、混合、燃烧 等等。
l系统总是从不平衡态向平衡态的方向进行。
第1节 热力学第二定律的实质 及表述
4、 热力学第二定律各种说法的一致性
第2节 熵和热力学温度
1、 绝热系统中不可逆原理 的表现
上图为一绝热系统，内能的增加
只能依靠作功（轴功和膨胀功）。 1-2为可逆绝热线。
U2
2’
绝热系统经过一个可逆过程后，
热力学第二定律公式
热力学第二定律公式
热力学第二定律是一种基本的物理定律，它描述了物质在发生热力学过程时所表现出的一般性规律。
它的公式表达式为ΔS ≥ δQ/T，其中ΔS代表热力学系统的熵增量，δQ代表系统受到的热量，T代表系统的绝对温度。
它的定义如下：当一个物质在发生热力学过程时，物质的熵增量ΔS必须大于系统受到的热量δQ除以系统的绝对温度T，即ΔS ≥ δQ/T。
这一定律表明，当物质发生热力学过程时，物质的熵总是在增加，而不会减少，即熵增量ΔS必须大于等于零，而不能小于零。
当一个物质发生热力学过程时，熵增量ΔS可能会大于δQ/T，这表明物质的熵增量不仅是由外加的热量所决定，还受到系统的温度影响，即熵增量也受到温度的影响，这也是热力学第二定律的一个重要内容。
热力学第二定律是一个重要的物理定律，它描述了物质在发生热力学过程时的一般规律，即物质的熵总是在增加，而不会减少，而且熵增量的大小也受到系统的温度的影响。
鉴于热力学第二定律的重要性，它已经成为热力学研究的基础，它在很多热力学相关问题的研究中都发挥着重要作用。
热力学第二定律公式
热力学第二定律公式
热力学第二定律描述了热能在任何发生物理或化学变化时的按照
规律运动，它是解释物理学中温度变化的关于热能运动的定律。
热力
学第二定律公式简单地表示为热能流动时，它对热源和汇合处的统一性。
其公式为dQ=TdS，其中dQ为热能流动的量，T是温度，dS是热能的熵变。
热力学第二定律是必需有一种热源，即热源处的守恒量需要大于
汇合处的守恒量，以实现传递和传导热能，即利用从热源处至汇合处
之间自然属性的压力。
而TdS，T代表温度，dS代表熵，熵是表示一个热站热量流动的量，它使得熵的变量影响热流的大小。
所以在TdS（T
温度的熵变）的影响下，熵增加量越大，热流量就越大，熵减小量越大，热流越小。
热力学第二定律告诉我们，任何热能运动的原理，其变化只能从
热源处至汇合处，而不是相反。
它也让我们明白，只有熵变才会影响
热流，熵变越大热流也越大，熵变越小热流也越小。
因此，我们可以
从历史和实验中考察物种热量和熵的定义，进而了解它们变化的规律。
热力学第二定律.
S f
2 dQ 1T
系统熵的变化量与熵流之差定义为熵产，用“Sg”表示
Sg S2 S1 S f
(S2 S1) S f Sg
熵流是由于系统与外界的发生热交换而引起的，其取 值可正可负可为零，而熵产是过程不可逆性的度量， 可逆过程熵产为零，不可逆过程熵产大于零，任何过 程的熵产不可能小于零。
• (2)若把此热机当制冷机使用，同样由克劳修斯积分 判断
Q Q1 Q2 2000 800 0.585 kJ / K 0
T T1 T2 973 303
工质经过任意不可逆循环，克劳修斯积分必小于零， 因此循环不能进行。
• 若使制冷循环能从冷源吸热800kJ，假设至少 耗功Wmin，根据孤立系统熵增原理有△Siso=0：
因为工质恢复到原来状态，所以工质熵变
△SE=0
对热源而言，由于热源放热，所以
SH
Q1 T1
2000 973
2.055 kJ / K
• 对冷源而言，冷源吸热
S L
Q2 T2
800 303
2.64 k J
/K
代入得：
Siso (2.055) 2.64 0 0.585 kJ / K 0
2 Q
1T
对于微元过程：
ds
(
dq T
) re v
或 dS
dQ
( T
) re v
mds
由于熵是状态参数，所以不论过程是否可逆，熵 变只由初终状态决定。
可逆与不可逆的情况
S2
S1
2 1
Q
T
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：…。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
卡诺循环热效率
由T-s图 图
q1 = T (sb − sa ) 1
q2 = T2 (sc − sd )
由正向循环热效率
q2 T2 (sc − sd ) ηc =1− =1− q1 T (sb − sa ) 1
过程b-c、 为定熵过程 为定熵过程， 过程 、d-a为定熵过程，故
1. 克劳修斯（Clausius）表述 克劳修斯（ ）
不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它 变化。 变化。
如制冷机或热泵装置的工 作需消耗能量进行补偿
它是从热量传递过程来表达热力学第二定律的。 它是从热量传递过程来表达热力学第二定律的。 热量传递过程来表达热力学第二定律的
热力学第二定律
2.开尔文－普朗克（Kelvin－Plank）表述 开尔文－普朗克（ 开尔文 － ）
第三节 卡诺循环与卡诺定律
卡诺循环解决了在确定的工作条件下热机 的工作效率可能达到的极限问题。 的工作效率可能达到的极限问题。
一、卡诺循环及热效率
卡诺循环是法国工程师卡诺（Carnot） 卡诺循环是法国工程师卡诺（Carnot）于 是法国工程师卡诺 1824年提出的一种理想热机循环。 1824年提出的一种理想热机循环。它是工作于 年提出的一种理想热机循环 两个恒温热源间的 间的， 两个可逆定温过程和 两个恒温热源间的，由两个可逆定温过程和两 个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环。 所组成的可逆正向循环 个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环。
动、气体的混合等
自发过程都具有方向性 且都为不可逆过程 不可逆过程。 自发过程都具有方向性, 且都为不可逆过程。 都具有方向性 非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。 非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。
二、热力学第二定律的实质和表述
热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中 有关传递方向、转化的条件和限度等问题。 有关传递方向、转化的条件和限度等问题。 方向 条件 等问题 针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述， 针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述， 但其实质等效。
第二节 热力学第二定律
一、过程的方向性与不可逆性
自然界中的一切热力过程均有方向性和不可逆性。 自然界中的一切热力过程均有方向性和不可逆性。 •
自发过程
——不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。 不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。 不需要任何外界作用而可以自动进行的过程 如热量传递、 如热量传递、水的流 否则为非自发过程 否则为非自发过程。
q2 ηt =1− q1
sb − sa = sc − sd
T2 ηc = 1− T 1
卡诺循环热效率 结论： 结论：
T2 ηc = 1− T 1
（1）卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度T1 卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度 只取决于高温热源的温度T 与低温热源的温度T 而与工质的性质无关。 与低温热源的温度T2，而与工质的性质无关。提高高温热 源的温度T 或降低低温热源的温度T 源的温度T1，或降低低温热源的温度T2，都可以提高热效 率。 热效率总小于1 （2）因为T2＞0，所以热效率总小于1。 因为T 所以热效率总小于 （3）若T1=T2，则，ηc
工质在热机中进行一个正向循环1234l 设1kg工质在热机中进行一个正向循环 工质在热机中进行一个正向循环 1-2-3: 膨胀过程 作膨胀功 膨胀过程,作膨胀功 作膨胀功123v3v11 3-4-1: 压缩过程，作压缩功 压缩过程，作压缩功341v1v33 工质从高温热源T 吸热q 放热q 工质从高温热源 1吸热 1，向T2放热 2
不可能从单一热源取热， 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产 生其它影响。 生其它影响。
如热机的工作
它是从热功转换过程来表述热力学第二定律的。 它是从热功转换过程来表述热力学第二定律的。 热功转换过程来表述热力学第二定律的 “第二类永动机不可能实现”。 第二类永动机不可能实现” 第二类永动机不可能实现 热力学第二定律的实质是能量贬值原理 热力学第二定律的实质是能量贬值原理。
学习要求
1. 了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评 了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念， 价循环经济性的指标：热效率ηt、制冷系数ε、制热系数ε′。 价循环经济性的指标： 2.理解热力学第二定律的实质和表述； 2.理解热力学第二定律的实质和表述；明确热力学第二 理解热力学第二定律的实质和表述 定律在判断热力过程方向上的重要作用。 定律在判断热力过程方向上的重要作用。 3.掌握卡诺循环、逆卡诺循环、 3.掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实 掌握卡诺循环 际的指导意义。 际的指导意义。 4.了解熵的基本概念和熵增原理。 4.了解熵的基本概念和熵增原理。 了解熵的基本概念和熵增原理
• 供热系数： 供热系数：
′ εc = q1 T (sb − sa ) T 1 = 1 = q1 − q2 T (sb − sa ) − T2 (sc − sd ) T − T2 1 1
逆卡诺循环
T2 εc = T −T2 1
ε′ =
T 1 T −T2 1
结论： 结论：
（1）逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热 ） 源温度T 和低温热源温度T 且随高温热源温度T 源温度 1和低温热源温度 2。且随高温热源温度 1的降低 或低温热源温度T 的提高而增大。 或低温热源温度 2的提高而增大。 （2）逆卡诺循环的制热系数总是大于 ，而其制冷系 ）逆卡诺循环的制热系数总是大于1， 数可以大于l、等于1或小于 在一般情况下，由于T 或小于l。 数可以大于 、等于 或小于 。在一般情况下，由于 2＞ ），所以制冷系数也是大于1的 所以制冷系数也是大于 （T1-T2），所以制冷系数也是大于 的。
T2 εc = T −T2 1
和T-s图上的表示 Байду номын сангаас上的表示
• 供热系数
ε′ =
T 1 T −T2 1
逆卡诺循环
逆卡诺循环是制冷循环和热泵循环的理想循环。 逆卡诺循环是制冷循环和热泵循环的理想循环。 制冷循环 的理想循环 制冷系数: • 制冷系数
q2 T2 (sc − sd ) T2 εc = = = q1 − q2 T (sb − sa ) − T2 (sc − sd ) T − T2 1 1
适用于 任何循环
制冷装置的工作系数
q2 q2 ε= = w0 q1 − q2
高温热源T 高温热源T1 q1
任何循环
• 制热系数ε′ 热泵装置的工作系数 q q1 ′= 1 = ε 适用于 w0 q1 − q2
工质
q2 低温热源T 低温热源T2
W0=q1-q2
ε′总是大于 。 总是大于1。
ε可能大于、等于或小于 ，而 可能大于、等于或小于1
第四章
热力学第二定律
学习导引
热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方 向、条件和限度。热力学第二定律与热力学第一定律是热力 条件和限度。 学的两个最基本定律，共同组成了热力学的理论基础。 学的两个最基本定律，共同组成了热力学的理论基础。 本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述， 本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述，阐述了 热力循环、卡诺循环、卡诺定律、 热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理 等有关知识。 等有关知识。
∵
q = ∆u + w
∆u = 0
循环净功w ∴ 循环净功 0
w0 = q1 − q2
正向循环
2. 热效率ηt
——在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量 在正向循环中， 在正向循环中 的比值称为热效率。 的比值称为热效率。
适用于 任何循环
w q −q q ηt = 0 = 1 2 =1− 2 q1 q1 q1
根据热力循环所 产生的不同效果
热力循环 可逆循环可以表示在状态参数坐标图 可逆循环可以表示在状态参数坐标图 上，且为一条封闭的曲线。 且为一条封闭的曲线。 封闭的曲线
一、正向循环和热效率
1. 正向循环
——将热能转变为机械能的循环称为正向循环 也称 将热能转变为机械能的循环称为正向循环,也称 转变为机械能的循环称为正向循环 动力循环或 为动力循环或热机循环 。 • 一切热力发动机都是按正向循环工作的。 一切热力发动机都是按正向循环工作的。 热力发动机都是按正向循环工作的 • 正向循环在p-v图上按顺时针方向进行。 正向循环在 图上按顺时针方向进行
卡诺循环
卡诺循环在p-v图 图上的表示: 卡诺循环在 图和T-s图上的表示 图上的表示
工质: 对1kg工质 工质
a-b: 定温可逆吸热膨胀过程 工质从 1吸热 1, 定温可逆吸热膨胀过程, 工质从T 吸热q 下由a 膨胀至b,并对外界作膨功 并对外界作膨功； 在T1下由 膨胀至 并对外界作膨功； b-c: 绝热可逆膨胀过程 工质由 膨胀至 由T1 绝热可逆膨胀过程, 工质由b膨胀至 膨胀至c,由 降至T2，并对外界作膨胀功； 并对外界作膨胀功； 降至 c-d: 定温可逆放热压缩过程 工质由 在T2下向 2 定温可逆放热压缩过程, 工质由c在 下向T 放热q 被压缩为d，外界对工质作压缩功； 放热 2被压缩为 ，外界对工质作压缩功； d-a: 绝热可逆压缩过程，工质由 经可逆绝热压缩 绝热可逆压缩过程，工质由d经可逆绝热压缩 回到a， 升至T 外界对工质作压缩功。 回到 ，由T2升至 1，外界对工质作压缩功。
逆向循环中向高温热源放出 的热量， 的热量，来自于从低温热源 的吸热量和消耗的循环净功
消耗净功w ∴ 消耗净功 0 或
w0 = q1 − q2 q1 = q2 + w0
2. 工作系数
逆向循环
——工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值， 工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值， 工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值 用以衡量逆向循环的热经济性 。 • 制冷系数ε