《大学物理》第20章 热力学第二定律
解读＜＜热力学第二定律＞＞
解读“热力学第二定律”江苏省如东高级中学（226400）刘永华热力学第二定律是热力学的主要理论基础之一，许多学生在对热力学第二定律的理解上存在着一些似是而非的认识。
在课堂教学中，教师可从如下三个层面来帮助学生准确理解热力学第二定律。
一两种经典表述1 按照热传导的方向性来表述(克劳修斯表述)克劳修斯在对许多自然界中的现象观察时发现，热量的传递有一种规律性，这就是：热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
于是在1850年将热力学第二定律表述为：不可能使热量从低温物体传向高温物体，而不引起其他变化。
理解时特别注意，这里所谓“自发地”或“不引起其他变化”，指的是没有任何外界的帮助或影响。
可见，在表述中特别强调了不需要任何外界的帮助，如果引起了其他变化，热量是可以从低温物体传向高温物体的。
例如，电冰箱在外界对其做功的情况下(耗电)，显然能够不断地把热量由低温物体(电冰箱内部)传向高温物体(电冰箱外部)的；而一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气，相反外界的热量却会自发地传给冰箱，使其内部温度逐渐升高。
2 按照机械能与内能转化过程的方向性来表述(开尔文表述)课本中是以内燃机为例，来阐述热机必须有热源和冷凝器，没有冷凝器的热机，即“理想热机——第二类永动机”是不可能制成的。
对这段内容可这样理解：设气缸中气体得到燃料燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做的功为W，然后排出废气，同时将Q2的热量散发到大气中。
由能量守恒可得Q1=W+Q2，热机的效率η=W/Q1，要想使η=100%，就必须使Q2=0，即要求工作物质在一个循环过程中，把从高温热源吸收的热量Q1，全部变为有用的机械功W，而工作物质本身又回到初始状态，并不放出任何能量到低温热源中去。
这种“理想热机”并没有违背热力学第一定律。
然而尝试提高热机效率的大量实践表明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸收到的热量变为有用功，就不可避免地要把热量传给外界的低温热源，所以热机必须有热源和冷凝器，没有冷凝器的热机是不存在的，热机的效率也必然小于100%。
热力学第二定律 概念及公式总结
热力学第二定律一、 自发反应-不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程）一个自发反应发生之后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响，也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。
二、 热力学第二定律1. 热力学的两种说法：Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化Kelvin ：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化2. 文字表述： 第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热，并将所吸收的热完全转化为功）功 热 【功完全转化为热，热不完全转化为功】（无条件，无痕迹，不引起环境的改变） 可逆性：系统和环境同时复原3. 自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程）特征：（1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性；（3）对环境做功，可从自发过程获得可用功三、 卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机）ηη≤ηη （不可逆热机的效率小于可逆热机）所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关四、 熵的概念1. 在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：ηηηη+ηηηη=η 任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数2. 热温商：热量与温度的商3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η（数值上相等） 4. 熵的性质：（1）熵是状态函数，是体系自身的性质 是系统的状态函数，是容量性质（2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和（3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变（4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量（5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性（6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变（7）在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。
2.4热力学第二定律
3.解：没有违反热力学第二定律。热力学第二 定律指的是：不可能使热量从低温物体传到高温物 体而不引起其他变化。在酷暑季节，虽然人们把热 量传递到高于体温的环境中去了，但却引起了其他 的变化，汗液也从身体中蒸发出去了。若没有汗液 的蒸发，这种热传递过程是不可能发生的。
1851年，开尔文又提出：不可能从单一 热源取热，使之完全变为有用功而不产生其 他影响；或不可能用无生命的机器把物质的 任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获 得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔 文表述”。
奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机 不可能制造成功。
那么热力学第二定 律到底是描述什么物理 现象的呢？下面让我们 来认识一下它
不仅热传递现象， 自然界中自动发生的 实际过程，都具有方 向性。
具有自动发生的趋势，一旦发生就
无需借助外力，可以自动进行。 不可逆过程
自
发 其逆过程在无外界干涉下是
过 程
不能自动进行的
具有单向性
同样的平衡条件下，正逆过程以同一途径进行
可
逆
过 可逆循环后，系统回原态，环境回原态
程
热、功转换 结 是否有方向
3.(2005全国二卷)一种冷暖两用型空调，铭牌标注 ：输入功率1kW，制冷能力1.2×104kJ/h，制热 能力1.3×104kJ/h.这样，该空调在制热时，每 消耗1J电能，将放出3J多热量。是指标错误还 是能量不守恒？
解析：都不是，空调制冷、制热靠压缩机做 功，从室内(室外)吸收热量放到室外(室内)。 在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从 室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消 耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背 热力学第二定律。
7. 什么是第二类永动机?为什么第二类永动 机不可能造成?第一类永动机和第二类永动 机各自违反了什么定律？
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。
大学物理热力学第二定律知识点总结
大学物理热力学第二定律知识点总结热力学第二定律是大学物理热学部分的重要内容，它揭示了热现象过程中的方向性和不可逆性。
理解和掌握热力学第二定律对于深入研究热学以及相关领域具有重要意义。
以下是对热力学第二定律相关知识点的详细总结。
一、热力学第二定律的表述1、克劳修斯表述热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
这意味着热传递的过程具有方向性，如果没有外界的干预，热量只会从高温物体流向低温物体，而不会反向流动。
2、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。
也就是说，第二类永动机是不可能制成的。
第二类永动机是指一种能够从单一热源吸热，并将其全部转化为功，而不产生其他变化的热机。
二、热力学第二定律的微观解释从微观角度来看，热力学第二定律反映了大量分子热运动的无序性。
在一个孤立系统中，分子的热运动总是从有序趋向无序，这是一个自发的过程。
比如，将不同温度的气体混合在一起，它们会自发地达到温度均匀分布的状态，而不会自动地分离成原来的不同温度区域。
这是因为分子的无规则运动使得它们更容易趋向无序的分布。
三、熵熵是描述系统无序程度的热力学概念。
熵的增加表示系统的无序程度增加。
对于一个绝热过程，系统的熵永不减少。
如果是可逆绝热过程，熵不变；如果是不可逆绝热过程，熵增加。
熵的计算公式为：＄dS ＝＼frac{dQ}｛T}＄，其中＄dQ$ 是微元过程中的吸热量，＄T$ 是热力学温度。
四、卡诺循环与卡诺定理1、卡诺循环卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，是一种理想的热机循环。
通过卡诺循环，可以计算出热机的效率。
卡诺热机的效率为：＄＼eta ＝ 1 ＼frac{T_2}｛T_1}＄，其中＄T_1$ 是高温热源的温度，＄T_2$ 是低温热源的温度。
2、卡诺定理（1）在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。
（2）在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。
大学物理热力学第二定律(老师课件)
dS 微小过程中的熵变 dQ 微小可逆过程中吸收的热 T 微小可逆过程中的温度
系统经任一过程时，熵的增量为： δQ dS≥ = ，可逆过程 T ＞，不可逆过程 2 δQ 或 ΔS≥ 1 T
——克劳修斯等式和不等式
当系统由平衡态 (1) 经历“任意过程”变化 到平衡态(2)时，系统的熵的增量为 r (2)
等温线
绝热线
V
i
Qi
Ti
0
dQ 0 T 可逆循环
•当小卡诺循环的数目趋向无穷大时，锯齿形循 环曲线就趋向原循环曲线，上式的求写作积分
dQ 0 T 可逆循环
上式说明，对任一系统，沿任意可逆循环过 程一周，dQ/T 的积分为零。 p 对如图的可逆循环acbda，则： c a dQ dQ
4应的微观态
宏观态
微观态
1 1 4 4 6 6 4 4 1 1
数目叫做这一宏观态的
热力学概率 —系统无序程度的量度 在诸多的宏观态中，
热力学概率最大的宏观态是平衡态
其它态都是非平衡态。 平衡态最易出现
(平衡态)
3. 两种表述的等效性(相互沟通) 如果第二类永动机可造出来 证（反证法）： 如果第二类永动机能造出来 Q 1 令其推动卡诺制冷机 看联合机： 唯一效果 开氏 热量自动从低 温传到高温
T1
Q1
A净
Q2
低温热源净放热 Q2
高温热源净吸热 Q1 Q1
T2
T1
Q2
克氏
A净 Q1 Q2 Q2
4. 热律的统计意义 如 自由膨胀
自发过程的方向性
有序 小 大无序
自然过程从热力学概率小向热力学概率大 的方向进行。孤立系统内的自发过程总是
热力学第二定律
2．热力学第二定律的意义
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独 立于热力学第一定律的一个重要自然规律
3．两种表述是等价的． 可以从一种表述导出另一种表述，两种表述
热力学第二定律
1、内容：在物理学中，反映宏观自然过 程的方向性的定律就是热力学第二定律 （second law of thermodynamics).
2、作用：主要用来解决与热现象有关的 由大量分子参与的宏观过程进行的方向性 问题。
3、热力学第二定律的多种表述
说明：“对任何一类与热现象有关的宏观自然 过程进行方向的说明” 都可作为热力学第二定 律的表述。因此不同的过程就对应的描述，所以 热力学第二定律有多种描述。
电冰箱能把热量由温度比外部低箱内部传到温 度较高的外界空气，是不是自发地？如不是自发 地，则原因是什么？说明了什么？
热量不会自发地从低温物体传给高温物体，只有在 外界的帮助才能进行，因而会产生其他影响或其他变化。
电冰箱工作时热量从温度较低冰箱内部传给温度相对
较高外界空气，是因为电冰箱消耗了电能，制冷系统做 了功，一旦切断电源，压缩机不工作，就不能把其内部 的热量传给外界的空气了．热量从温度较高的外界自发 地传给温度较低的电冰箱内部，使其温度逐渐升高，知 道没有温差而停止．由此说明，热量自发传递的方向是 确定的。
T1 Q1
A
热机
Q2
Q2
低温热源
T2
高温热源
QT1 1Q2
A
单热机
热力学过程是有方向性的T。2
热力学第二定律的发展史
热力学第二定律
热力学第二定律摘要：继热力学第一定律之后克劳修斯和开尔文提出了热力学第二定律，本文介绍了热力学第二定律的定义及热力学第二定律使用的条件，除此之外还介绍了它的单方性的性质，为了加深读者对热力学第二律的理解，本文列举了热力学第二定律的部分应用仅供读者参考。
关键词：热力学第二定律；克劳修斯；开尔文；单方向性作者简介：0引言：热力学第一定律指出各种形式的能量在相互转化的过程中必须满足能量守恒定律，对过程行进的方向并没有给出任何限制。
但是实际发生的过程中如果涉及热量或内能与其形式能量的转化。
则所有过程都是具有单方向性。
更普遍的说，凡是涉及热现象的实际过程的方向问题。
它是独立于热力学第一定律的另一个定律。
卡诺提出了卡诺定理，但是卡诺对热机工作过程的认识是不正确的，他认为热机是通过把从高温热源传到热源做功的，工作物质从高温热源吸取热量与在低温热源放出的热量相等，犹如水利及做功是通过水从高处流向低处，在高处和低处流过的水量是一样的。
在热力学第一定律被发现以后克劳修斯和开尔文分别审了卡诺的工作，指出要证明卡诺定理要有一个新的原理，从而发现了热力学第二律。
1热力学第二定律简介1.1热力学第二定律定义不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；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；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。
①克氏表述：在与外界没有物质和能量交换的封闭系统（如热水瓶）中。
②开氏表述：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。
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[1]。
上述①中的内容是克劳修斯在1850年提出的。
②的讲法是开尔文于1851年提出的。
这些表述都是等效的。
在①的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。
热力学第二定律 概念及公式总结
（不可逆热机的效率小于可逆热机）
所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关
四、熵的概念
1.在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：
任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关
热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原
五、克劳修斯不等式与熵增加原理
不可逆过程中，熵的变化量大于热温商
1.某一过程发生后，体系的热温商小于过程的熵变，过程有可能进行不可逆过程
2.某一过程发生后，热温商等于熵变，则该过程是可逆过程
3.热温商大于熵变的过程是不可能发生的
4.热力学第二定律的数学表达式：
5. 隔离系统中， (一个隔离系统的熵永不减少)
6.熵增加原理：
7.隔离系统中有： 【根据熵增加原理知，若从体系的熵值变化量判断过程一定是自发过程，那么该过程一定是隔离系统】
六、热力学基本方程式与T-S图
1.热力学基本方程：
2.根据热二定律基本方程得： 可逆过程中有
3.绝热可逆过程：
七、 熵变的计算
1.等温过程中熵的变化值：
（1）理想气体等温可逆变化： 、 、
从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数
2.热温商：热量与温度的商
3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量 （数值上相等）
4. 熵的性质：
（1）熵是状态函数，是体系自身的性质是系统的状态函数，是容量性质
（2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和
（2）等温、等压可逆相变：
I :在标准压力下，任何物质之间的熔沸点之间的相变为可逆相变；
大学物理《热力学第二定律》PPT课件
Rev.
pext=pint=f(V,T)
p2=50 kPa
Adiabatic expansion
Irrev. pext=const. =p2=50 kPa Free pext=0
不可能把热从低温 物体传到高温物体， 而不引起其它变化
热机效率(efficiency of the engine )
任何热机从高温 (Th ) 热源吸热 Qh ,一部分转化 为功W,另一部分 Qc 传给低温 (Tc ) 热源.将热机所作 的功与所吸的热之比值称为热机效率,或称为热机 转换系数，用 表示。 恒小于1。
dqrev dT dV dS nCv ,m nR T T V
S n Cv ,m
T1
T2
V2 dT nR ln T V1
dqrev dU dwrev d ( H pV ) pdV dH pdV Vdp pdV dH Vdp dp nC p ,m dT nRT p
Clausius 不等式
设有一个循环， A B 为不可逆过程， A B 为可逆过程，整个循环为不可逆循环。
A Q Q 则有 ( ) IR,A B ( )R 0 B T T i A Q Q S B S A ( ) IR,A B B ( T )R SA SB T i Q SA B ( ) IR,AB 0 或 T i Q SAB ( ) R,A B 0 如AB为可逆过程 T i
有时把与体系密切相关的环境也包括在一起， 用来判断过程的自发性，即：
Siso S (体系） S (环境） 0
“>” 号为自发过程
“=” 号为可逆过程
熵变的计算
1. 理气单纯p,V,T变化过程
大学物理化学2-热力学第二定律课后习题及答案
热力学第二定律课后习题答案习题1在300 K ，100 kPa 压力下，2 mol A 和2 mol B 的理想气体定温、定压混合后，再定容加热到600 K 。
求整个过程的∆S 为若干？已知C V ,m ,A = 1.5 R ，C V ,m ,B = 2.5 R[题解]⎪⎩⎪⎨⎧B(g)2mol A(g)2mol ，，纯态 3001001K kPa，（）−→−−−−混合态，，2mol A 2mol B100kPa 300K 1+==⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪p T 定容（）−→−−2混合态，，2mol A 2mol B 600K 2+=⎧⎨⎪⎩⎪T ∆S = ∆S 1 + ∆S 2，n = 2 mol∆S 1 = 2nR ln ( 2V / V ) = 2nR ln2 ∆S 2 = ( 1.5nR + 2.5nR ) ln （T 2 / T 1）= 4nR ln2 所以∆S = 6nR ln2= ( 6 ⨯ 2 mol ⨯ 8.314 J ·K -1·mol -1 ) ln2 = 69.15 J ·K -1 [导引]本题第一步为理想气体定温定压下的混合熵，相当于发生混合的气体分别在定温条件下的降压过程，第二步可视为两种理想气体分别进行定容降温过程，计算本题的关键是掌握理想气体各种变化过程熵变的计算公式。
习题22 mol 某理想气体，其定容摩尔热容C v ，m =1.5R ，由500 K ，405.2 kPa 的始态，依次经历下列过程：(1)恒外压202.6 kPa 下，绝热膨胀至平衡态； (2)再可逆绝热膨胀至101.3 kPa ； (3)最后定容加热至500 K 的终态。
试求整个过程的Q ，W ，∆U ，∆H 及∆S 。
[题解] （1）Q 1 = 0，∆U 1 = W 1， nC V ,m （T 2－T 1）)(1122su p nRT p nRT p --=， K400546.2022.405)(5.11221211212====-=-T T kPa p kPa p T p T p T T ，得，代入，（2）Q 2 = 0，T T p p 3223111535325=-=-=--()γγγγ，， T T 320.42303==-()K（3）∆V = 0，W 3 = 0，Q U nC T T V 3343232831450030314491==-=⨯⨯⨯-=∆,()[.(.)].m J kJp p T T 434350030310131671==⨯=(.).kPa kPa 整个过程：Q = Q 1 + Q 2+ Q 3 =4.91kJ ，∆U = 0，∆H = 0，Q + W = ∆U ，故W =－Q =－4.91 kJ∆S nR p p ==⨯=--ln (.ln ..).141128314405616711475J K J K ··[导引]本题的变化过程为单纯pVT 变化，其中U 、H 和S 是状态函数，而理想气体的U 和H 都只是温度的函数，始终态温度未变，故∆U = 0，∆H = 0。
热力学第二定律
热量由高温物体传向低温物体
摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势
自然界自发过程都具有方向性
4 4
自发过程的方向性
摩擦生热
功量
100% 发电厂
热量
功量
40%
热量
放热
自发过程具有方向性、条件、限度 5
5
热力学第二定律的实质
17 17
熵的物理意义
定义：熵
dS
Qre
T
比熵 ds
qre
T热源温度=工质温度可逆时dS 0 dS 0 dS 0
Q 0 Q 0 Q 0
18
熵的物理意义 熵变表示可逆 过程中热交换 的方向和大小
18
§ 5-6
孤立系统熵增原理
无质量交换 无热量交换 无功量交换
Available Energy
Availability
Anergy 㶲用 Ex表示
火无
火无 用An表示 34 34
三种不同品质的能量(P.173)
1、可无限转换的能量
（Ex） 理论上可以完全转换为功的能量
高级能量
如：机械能、电能、水能、风能
2、不能转换的能量 （An） 理论上不能转换为功的能量 如：环境（大气、海洋） 3、可有限转换的能量
热力学第一定律： 热力学第二定律： 一切过程，Ex+An总量恒定 由An转换为Ex不可能
在可逆过程中，Ex保持不变 在不可逆过程中， 部分Ex转换为An
Ex损失、作功能力损失、能量贬值
任何一孤立系， Ex只能不变或减少，不能增加—— 孤立系Ex减原理 （能量贬值原理） 即： dEx,iso≤0
大学物理-多媒体课件-3热力学第二定律
热力学第二定律是过程的方向性原理， 它指出自然发生的反应总是向着熵增 加的方向进行，即向着分子无序程度 增加的方向进行。
历史背景与发展
历史背景
热力学第二定律是在19世纪中叶由德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔 文提出的。这一理论的发展与工业革命时期对能源和效率的需求密切相关。
等容过程
系统体积保持不变的过程，系统吸收或放出 热量而体积不变。
等熵过程
系统熵保持不变的过程，系统吸收或放出热 量而熵不变。
卡诺循成 的循环过程。
卡诺定理
所有工作于相同高温和低温之间的热 机，其效率不能超过卡诺热机的效率 。
熵的概念与计算
熵
表示系统混乱度或无序度的物理量，用于描述系统能量转换时的效率。
微观解释
从微观角度来看，由于分子无规则热运动的加剧，分子之间的相互碰撞和能量传递会使 得系统内部能量的分布变得更加均匀和分散，从而导致宏观状态数的增加和熵的增加。
05 热力学第二定律的挑战与 未来发展
热力学第二定律的局限性
局限于宏观尺度
热力学第二定律主要适用于宏观 尺度下的系统，对于微观尺度的 粒子行为，其适用性有待进一步 探讨。
制冷剂的选择
制冷剂是制冷技术中的关键物质，它需要具备较低的沸点、较高的汽化潜热、良好的化学 稳定性和环保性等特点。常见的制冷剂有氟利昂、氨、水和二氧化碳等。
制冷技术的发展
随着环保意识的提高和能源消耗的增加，制冷技术的发展越来越受到关注。新型制冷技术 如磁制冷、热声制冷等正在逐步取代传统的压缩式制冷技术，具有更高的能效比和环保性 。
多热源温度下的热机效率
对于多热源温度下的实际热机，其效率可以通过计算循环过程中的热量 和功的数值来得出。具体计算方法涉及到热力学第一定律和第二定律的 应用。
大学物理教程-热力学第二定律
15.1 热力学第二定律 卡诺定理
Harbin Institute of Technology at Weihai
15.1.3 各种不可逆过程是互相联系的
同理，假设热可以自动从低温物体传向高温物体， 这将导致热可以自动转变成功。
T1热库
假
想
装
置
Q2
T1热库
Q1
工
质
卡诺
热机
Q2
Q2
T2热库
A
Q1- Q2
态温度等于末态温度，末态体积为初态体积的2倍，可以任意设计符
合此条件的可逆过程计算该实际过程的熵变∆S >0即可，转变成另外
一种题型如下页延伸题所示。
14
哈尔滨工业大学(威海)
15.2 克劳修斯熵公式 熵增加原理
Harbin Institute of Technology at Weihai
大学物理教程
15.1.5 卡诺定理
（1）在温度为T1的高温热库和温度为T2的低温热库之间工作的一切可逆热机，无论
用什么工作物质，其效率相等，都等于
T2
η 1
T1
（2）在温度为T1的高温热库和温度为T2的低温热库之间工作的一切不可逆热机，其
效率不可能高于可逆热机的效率。
T2
1
T1
10
哈尔滨工业大学(威海)
大学物理教程
例2. 质量为m1、温度为T1的冷水与质量为m2、温度为T2的热水共置于一
绝热容器内，已知水的比热容为c。试求 (1) 平衡建立后，系统最
后的温度；(2) 系统总的熵变。
解: (1)依题意，设最后温度为 T ， 则有: Q1吸 Q2放，由比热容定义得：
cm1 T T1 cm2 T2 T
大学物理热力学第二定律
2.关于熵的几点说明 （1）熵是描述平衡态参量的函数，即与U、H相 同，S是态函数。只要系统的平衡态确定，熵就 完全确定，而与到达这一平衡态的路径无关 （2）计算两个态之间的熵变，可选择任一可逆 过程连接始末两态 （3）熵是广延量，即系统如果分为几个部分， 各部分熵变之和等于系统的熵变。
ch27
[例题27.1]已知在p=1.013105和T=273.15K下，冰融化为 水的熔化热为q = 334 kJ/kg. 试求1.00 kg冰融化为水时 的熵变。
review
ch27
有关可逆和不可逆过程
实现可逆过程的条件：准静态过程；过程无耗散 自然界中真实存在的过程都是不可逆的
热力学第二定律的表述
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完 全变为有用的功而不产生其他影响。 热功转换是不可逆过程
克劳修斯表述：不可能从单一热源吸取热量，使之 完全变为有用的功而不产生其他影响。
热平衡的自由焓判据 ：系统在温度和压强不变的 情况下，对于各种可能的变动，平衡态的自由焓 或吉布斯函数最小。
§27-4 热力学第三定律
ch27
一、能斯特定理
凝聚系统在等温过程中的熵改变，随着绝对 温度趋近于零而趋于零
T 0 K
lim (S )T 0
二、热力学第三定律
绝对零度不能达到原理：不可能施行有限的 过程把一个物体冷却到绝对零度。
5.熵增加原理与卡诺定理 （1）热机不可能只有一个热源 热机 S＝0 热源 S>0 功库 S＝0
ch27
孤立的复 合系统
（2）卡诺定理的证明
Q1 Q2 St T1 T2
≥0
Q1 Q2 A U 0
A≤ Q1 (T1 T2 ) T1
热力学第二定律 (2)
反证法：假定违反克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源 假定热机A从热源吸热Q1 对外作功WA 对冷源放热Q2 WA = Q1 - Q2
冷源无变化
从热源吸收Q1-Q2全变成功WA 违反开表述
T1 热源
Q1
Q2
A
WA
Q2
Q2
冷源 T2 <T1
5-1 热力学第二定律
自发过程若想逆向进行，必付出代价。 热一律否定第一类永动机
不付任何代价，而热能转化为机械能要付出代价。
不可能制造出从单一热源吸热使之全部转化为功而不留下任 何其他变化的热力发动机——第二类永动机。
3
5-1 热力学第二定律
归纳：1）自发过程具有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进 行，而是要 有附加条件； 3）补偿要有一定数量，补偿量要足够； 4）能量品位有高低。
热功转换的角度
1850年 克劳修斯表述
热量传递的角度
5-1 热力学第二定律
① 开尔文－普朗克表述：不可能从单一热源取热，并使之 完全转变为有用功而不产生其它影响。
第二类永动机是不可能制造成功的。
②克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不 引起其它变化。
表述①与②之间等价
热二律的实质：自发过程都是具有方向性的
开尔文
Lord Kelvin 1824～1907 英国物理学家 发明家。
原名：William Thomson，10岁时就进格拉 斯哥大学预科学习，1845年毕业于剑桥大学， 1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学（物理 学当时的别名）教授，任职达53年之久。 1890～1895年任伦敦皇家学会会长。1877 年被选为法国科学院院士。1904年任格拉斯 哥大学校长， 开尔文研究范围广泛，在热学、电磁学、流体 力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方 面都做出了贡献。他一生发表论文多达600余 篇，取得70种发明专利，他在当时科学界享 有极高的名望，受到英国本国和欧美各国科学 家、科学团体的推崇。他在热学、电磁学及它 们的工程应用方面的研究最为出色。
大学物理热力学第二定律(课件)
P
a Q1
1. a-d 2. d-c 3. c-b
绝热膨胀（降温）； 等温膨胀（吸热）； 绝热压缩（升温）；
b
4. b-a 等温压缩（放热）。
A
外界对系统作功，系统从低温
T1
热源吸热，向高温热源放热。
d
（冰箱的工作原理） c
Q2
T2
O
V
§4-3 循环过程
二、卡诺循环 2.卡诺致冷机 若将卡诺循环逆向进行就构成了卡诺致冷机
§4-3 循环过程
一、循环过程 系统经过一系列变化又回到原来状态的过程称为循
环过程。 如果循环过程中各个阶段都是准静态过程，这个循
环过程可以用p-V图上一条闭合曲线来表示。
循环过程 △E = 0 ， Q净=A净
P
正循环 （顺时针循环 A﹥0）
a
O
V
§4-3 循环过程
一、循环过程 系统经过一系列变化又回到原来状态的过程称为循
c
A Q1
Q1 Q2 Q1
1 Q2 Q1
1 T2 T1
结论：
c
1
T2 T1
（1）完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热源。
（2）卡诺热机的效率只与高低温热源的温度有关，与 工作物质无关。提高热机效率的有效途径是提高两个热源 的温度差。
（3）由于Q2≠ 0，T2 ≠ 0，卡诺热机的效率 C﹤1。
Q2 T2 Q1 T1
如果循环过程中不向低温热源
放热，即Q2=0，则效率C=1。实践
证明做不到。
讨论
图中两卡诺循环 1 2 吗 ？
p
A1>A2
T2 A1
T1
A1=A2
热力学第二定律
宏观上解释： 宏观上解释： 功转换为热，是机械能（或电能）转化为内能的过程。 功转换为热，是机械能（或电能）转化为内能的过程。 微观上解释： 微观上解释： 功热转换过程是大量分子有序运动向无序运动转化的过程。 功热转换过程是大量分子有序运动向无序运动转化的过程。
注 意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结. 热力学第二定律是大量实验和经验的总结.
二。热力学第二定律的宏观表述
1。自然过程的方向性 。 说明孤立系自然过程进行方向的规律是热二定律
m
功热转换过程具有方向性。 功热转换过程具有方向性。 热不能自动转化为功； 热不能自动转化为功； 或通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的irreversible 或通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的
热传导 （Heat conduction） ） 热量不能自动地由低温物体传向高温物体。 热量不能自动地由低温物体传向高温物体。 热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的； 热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的；
气体的 气体体积2 气体体积2 气体体积1 气体体积1 自由扩散 不能自由压缩
自发转化 自发转化 摩擦做功 不能自发 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的！ 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的！ 物体内能
功热转换
⑴.可逆过程与不可逆过程 在系统状态变化过程中， 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， 正过程的每一状态，而不引起其他变化，这样的 过程叫做可逆过程 可逆过程。 过程叫做可逆过程。 在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程 在不引起其他变化的条件下， 重复正过程的每一状态， 重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会 不可逆过程。 引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程 引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程。
大学物理学-热力学第二定律
高温热源T1
Q1 卡诺热机
W Q1
Q2 (1)Q1 低温热源T2
章目录 节目录 上一页 下一页
熵* 如何判断孤立系统中过程进行的方向？
可逆卡诺机
Q1 Q2 T1 T2
Q1
T1
Q1 Q2 T1 T2
Q1 Q2 0 T1 T2
热温比 Q
等温过程中吸收或放出的热量与热源
T 温度之比 .
结论 ： 可逆卡诺循环中, 热温比总和为零 .
大学物理学
任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成
p Qi
任一微小可逆卡诺循环
Qi Qi1 0 Ti Ti1
对所有微小循环求和
o
当 i
Qi1 V时，则dQ T0iQi 0 Ti
结论 : 对任一可逆循环过程, 热温比之和为零 .
大学物理学
pC
Q2 低温热源T2
卡诺 循环是循 环过程， 但需两个 热源，且 使外界发 生变化.
章目录 节目录 上一页 下一页
7.3 热力学第二定律
永 动 机 的 设 想 图
大学物理学
章目录 节目录 上一页 下一页
7.3 热力学第二定律
2 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自 动传到高温物体而不引起外界的变化 .
统的熵变也是确定的, 与过程无关. 因此, 可在两平 衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变 .
2）当系统分为几个部分时， 各部分的熵变之 和等于系统的熵变 .
大学物理学
温度例为190计C算的不水同, 与温质度量液为体混0.7合0 后kg的、熵温变度.为质20量 C为的0水.30混k合g、
后，最后达到平衡状态. 试求水的熵变. 设整个系统与外界间 无能量传递 .
热力学第二定律(高中物理教学课件)
二.能量耗散与能源危机
1.能量耗散：能源的使用转化成内能分散在环境中，使 周围环境升温，分散在环境中的内能不能自动聚集起来 驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”。 2.能源：具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、 天然气、煤等。 3.能源危机：能源的使用过程中虽然能的总量保持不变， 但能量的品质下降了。能源在减少所以我们要节约能源。 4.能量与能源的区别： ①能量是守恒的，既不会增加也不会减少。 ②能源是能够提供可利用能量的物质。 ③能的总量虽然不变，但能源在不断减少，要节约能源。
一.热力学第二定律
3.热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一 热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他 影响。
①这是从机械能与内能转化的方向性角度来阐述的。 ②自发的方向是机械能转化成内能。机械能可以全部转 化为内能，而内能无法全部用来做功转换成机械能，效 率达不到100%。有人就曾经设想，把地球上的海水温度 降低0.1 ℃，放出的能量相当于1800万个核电站一年的发 电量 ，这是不可能的。 ③内能可以用来做功转换成机械能，但是有“其它影 响”，例如利用热机做功。
4.热力学第二定律的意义：揭示了有大量分子参 与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定 律的一个重要自然规律．
一.热力学第二定律
5.第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收热 量，全部用来做功而不引起其它变化叫做第二类永动机。 ①机械能和内能的转化过程具有方向性．尽管机械能可 以全部转化为内能，内能却不能在不引起其他变化全部 转化成机械能． 热力学第二定律的另一种表述就是：第二类永动机不可 能制成。 ②第一类永动机和第二类永动机都不可能制成，第一类 永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设 想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的 宏观自然过程具有方向性的规律（热力学第二定律）。 看一种热机设计方案是否可行，不仅要看是否遵守能量 守恒定律，还要看是否满足热力学第二定律。
- 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)。
1
1 0.4 55%
7
p d
实际上汽油机的效率只有 25％左右。
c p0 a
O
V0
上页 下页 返回 退出
e
b VV
上页 下页 返回 退出
上页 下页 返回 退出
绝热过程： W E
W S E
E T2 T1
T1 T1
T2 T2
思考题：1.有两个热机分别用不同的热源作卡诺循环， 在P-V图上它们的循环所包围的面积相等，但形状不同， 问它们它们吸热和放热的差值是否相同？对外所作的 净功是否相同？效率是否相同？
p1
T1
4 T2
O
2
3
V
1
p
T3
2
4 T4
O
3
V
上页 下页 返回 退出
p1
T1
4 T2
O
S
2
3
V
1
p
T3
2S
4 T4
O
3
V
1-2-3-4-1 循环
净功 W S
热差值 Q Q1 Q2 W
1 T2
T1
1 T4 T3
上页 下页 返回 退出
思考题：2. P-V图中表示循环过程的曲线所包围 的面积，代表热机在一个循环过程中所作的净功。 如果体积膨胀的大些，面积就大了，所作的净功 就多了，因此卡诺热机的效率也就可以提高了， 这种说法对吗？
§20-1 热力学第二定律 --- 引言
热机的实际应用 老式蒸汽火车和现代燃煤发电厂
上页 下页 返回 退出
开篇问题---- 请猜一猜
化石燃料发电厂在生产过程中会产生“热污染”，通过燃料燃 烧产生的热量并没有全部转化为电能，造成浪费的原因是： (a)如果释放出部分热量，热机效率仍很高。 (b)现有的工程技术，还没有能力100％回收利用废热。 (c)能量转化为有用的功时必然产生废热，这是自然的基本特性 (d)发电厂依赖化石燃料，而不是核燃料。 (e) 以上都不是。
循环包括:正循环(顺时针)--热机 逆循环(逆时针)--致冷机
上页 下页 返回 退出
P
W =S绿色
a-m-b方向做功W1，正功
b-n-a方向做功W2，负功
a-m-b-n-a系统对外作的总功
W= W1+ W2 正功
V
P
m
b
.n
a
O Va
V Vb
上页 下页 返回 退出
P
W =S绿色 P
W =S红色
V
Va
Vb Vc Va Vd
卡诺热机效率
e理想
1
TL TH
卡诺热机效率与工作 物质无关，只与两个热源 的温度有关，两热源的温 差越大，则卡诺循环的效 率越高。
上页 下页 返回 退出
卡诺定理
1） 在相同高温热源和低温热源之间工作的任
意工作物质的可逆热机都具有相同的效率 .
2） 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一
(3)爆炸、作功过程
在上述高温压缩气体中，用电火花或其他方式引起气体燃
烧爆炸，气体压强随之骤增，由于爆炸时间
p
短促，活塞在这一瞬间移动的距离极小
d
，这近似是个等体过程（图中过程cd）
。这一巨大的压强把活塞向右推动而作
功，同时压强也随着气体的膨胀而降低 c
e
，爆炸后的作功过程可看成一绝热过程
（图中过程de）
p0 a
b
O
V0
上页 下页 返回 退出
VV
(4)排气过程
开放排气口，使气体压强突然降为大气压，这过程近似 于一个等体过程（图中过程eb），然后再由飞轮的惯性带 动活塞，使之从右向左移动，排出废气，这是个等压过程 （图中过程ba）。
气体主要在循环的等体过程cd中吸热（相当于在爆炸中
产生的热），而在等体过程eb中放热（相当于随
p1
T1 2
W
Q吸
4 T2
O
3V
卡诺循环 1- T2
T1
上页 下页 返回 退出
讨论
1- T2
图中两卡诺循环 1 2 吗 ？
T1
p
W1 W2
T1
W1
T2
W2
o
V
1 2
p
T1
o
T3 W1 W2
W1
W2
T2
V
1 2
上页 下页 返回 退出
例20-2 虚假宣传？
卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静 态绝热过程组成 .
高温热源 TH QH
卡诺热机 W
QL
低温热源 TL
上页 下页 返回 退出
理想气体卡诺循环热机效率的计算
p
p1 a Qab
p2
TH
b
p4
W
d
p3
Qcd TL
o Va Vd
Vb
c
V
Vc
卡诺循环
a — b 等温膨胀 b — c 绝热膨胀 c — d 等温压缩 d — a 绝热压缩
V
循环过程顺时针方向 系统对外作正功 W>0 系统吸热 Q=W>0
循环过程逆时针方向 外界对系统作功 W<0 系统放热 Q=W<0
上页 下页 返回 退出
正循环:工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲
线所包围的面积。工质从外界吸收热量的总和为QH,
放给外界的热量总和为QL
Q净 QH QL W净 0
热机需要吸收热量 115kJ/s 115kW
（b） e 1 QL / QH
QL 1 eQH 0.80115kJ 92kJ
热机将以 92kJ/s 92kW 的功率向周围环境释放热量。 上页 下页 返回 退出
练习A
绝热膨胀过程
eW /Q Q0 e ?
假想的完美热机 吸收的热量全部用于对外做功
所以这个循环的效率应为
1 Q2 1 Te Tb
Q1
Td Tc p
d
把气体看作理想气体，从绝热
过程de及bc可得如下关系
V 1Te
V
0
1Td
V 1Tb V0 1Tc
c
p0 a
O
V0
e
b VV
上页 下页 返回 退出
两式相减得
V 1 Te Tb V0 1 Td Tc
切不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率 .
以卡诺热机为例，有
e QH QL TH TL
QH
TH
( 不可逆热机 ) （可逆热机）
练习B
一台发动机的吸气温度 TH 400K排气温度TL 300K ， 以下哪个选项是热机不可能达到的工作效率？
(a) 0.10；(b) 0.16；(c) 上0.2页4；下(页d) 返0回.30退出
W Q e 1
但它非循环过程，并不违背第二定律。 违背第二定律，不可能实现。
上页 下页 返回 退出
永 动 机 的 设 想 图
热力学第二定律开尔文表述
不可能制造成功这样的热机，将吸收的热量全部转 变为功，而不产生其他影响。
上页 下页 返回 退出
§20-3 可逆与不可逆过程；卡诺热机
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, 这样的过程叫做可逆过程 .
正循环过程是将吸收的热量QH中的一部分转化为有 用功W净，另一部分QL放回给外界 热机：通过工质连续不断地将热转化为功的装置。
上页 下页 返回 退出
热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .
工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量 并对外做功的物质 .
上页 下页 返回 退出
锅炉
气缸 冷凝器
泵
蒸汽机中水循环过程
上页 下页 返回 退出
热力学第二定律的克劳修斯（1822-1888）表述
热量能自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从 低温物体传到高温物体。
热传导不可逆
T1>T2 热量从系统1传到系统2
T1
热量不能自动从低温->高温
T2
其反过程不会自动实现
热力学第二定律表明了自然界过程发生的方向。
对于定律的阐述有各种不同的表述，它们都是等价的。
如何提高循环效上率页？下页 返回 退出
例20-1 汽车的效率。
汽车发动机的效率是20%，在它运行的过程中会每秒 做功23000J。试求：（a）它需要吸收多少热量？（b） 发动机每秒排出多少废热？
解：（a） e W / QH
QH
W e
23000J 。0.20
1.15105 J
115kJ
亦即
Te
Tb
V0
1
Td Tc V
pLeabharlann d 111
1 1
1
V V0
r
式中 r= V/V0 叫做压缩比。
c
p0 a
O
V0
e
b VV
上页 下页 返回 退出
计算表明，压缩比愈大，效率愈高。汽油内燃机
的压缩比不能大于7，否则汽油蒸汽与空气的混合气 体在尚未压缩至c点时温度已高到足以引起混合气体
nRTL
ln
Vc Vd
b— c 绝热过程
Vb 1TH Vc 1TL
d — a 绝热过程
Va 1TH Vd 1TL
上页 下页 返回 退出
p
p1 a Qab
p2
TH
b
p4