熵 热力学第二定律的数学表述
热力学中的熵与热力学第二定律
热力学中的熵与热力学第二定律热力学是研究热量与能量转换关系的学科，而熵（entropy）是热力学中一个重要的概念。
本文将介绍熵的定义和特性，并解释熵在热力学第二定律中的应用。
一、熵的定义与基本特性熵是热力学中的一个状态函数，用S表示，它度量了系统的无序程度或混乱程度。
根据统计热力学的观点，当系统的无序程度较高，熵的值也较高；当系统有序程度较高，熵的值较低。
熵可以用数学公式表示为：S = k ln W其中，S表示系统的熵，k是玻尔兹曼常数，ln表示自然对数，W 是系统的微观状态数，表示系统可以处于的不同状态的数量。
熵具有以下几个基本特性：1. 熵是一个状态函数，与系统的路径无关。
这意味着无论系统经历了怎样的变化，最终的熵值只与系统的初始状态和最终状态有关。
2. 熵在不可逆过程中增加，而在可逆过程中保持不变或减少。
可逆过程是指系统与外界之间没有任何摩擦、能量损耗等能量转化损失的过程；而不可逆过程则与之相反，包含能量转化损耗、摩擦产生的能量等。
3. 熵的增加代表着系统的能量转化的不可逆性和能量利用的低效性。
这也是熵在热力学第二定律中的重要作用。
二、热力学第二定律与熵热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，主要阐述了热量在系统和环境之间传递的方向。
而熵则是作为热力学第二定律的一个重要概念被提出并应用其中。
热力学第二定律有多种表述方式，其中之一是卡诺定理（Carnot theorem）。
卡诺定理指出，对于所有工作在相同温度下的热机，存在一个最大效率，这个效率只依赖于这两个热源的温度差。
而这个最大效率可以用熵的概念进行描述。
对于两个热源温度分别为T1和T2（T1 > T2），卡诺定理给出的最大效率为：η = 1 - (T2 / T1)其中，η表示热机的效率，T2 / T1表示热机工作过程中熵变的比值。
这里的熵变指的是系统和环境熵的变化量。
根据熵增加的特性，不可逆过程会使系统的熵增加，即熵变为正值。
因此，根据卡诺定理，最大效率只能在可逆过程中达到。
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。
熵与热力学第二定律
熵与热力学第二定律热力学是一门研究能量转化和传递的学科，而熵则是热力学的一个重要概念。
熵是描述系统无序度的物理量，也可以理解为系统的混乱程度。
热力学第二定律则给出了一个有关熵变化的基本规律，对于理解自然界中各种现象都具有重要意义。
首先，我们来了解一下熵的概念。
熵最初由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯在19世纪提出，用以描述能量在转化和传递过程中的无序度。
熵的单位是焦耳/开尔文（J/K）。
在热力学中，我们通常用S表示熵。
对于一个封闭系统来说，其熵的变化可以通过以下公式表示：ΔS = Q/T其中，ΔS表示熵变化，ΔQ表示系统所吸收或释放的热量，T表示温度。
从这个公式可以看出，熵的变化与温度和能量的传递有着密切的关系。
进而，熵的变化与热力学第二定律密切相关。
热力学第二定律是热力学中的一条基本定律，它通过熵的变化来描述了自然界中一种普遍存在的变化趋势：任何一个孤立系统总是朝着熵增的方向进行变化。
热力学第二定律可以用以下两种表述方式进行阐述：1. 克劳修斯表述：不可能自发地将热量从低温物体传递到高温物体，而不做额外的功。
这个表述是从能量守恒的角度上来看待熵增的原理。
2. 开尔文表述：不可能从单一热源吸热，使之完全转化为有效功而不产生其他变化。
这个表述则是从热力学循环的角度上来看待熵增的原理。
无论是克劳修斯表述还是开尔文表述，都体现了一个重要的观点：自然界的变化总是朝着更高的熵方向发展，即朝着能量的分散和无序性的增加。
这进一步表明了熵在物理系统中的重要性。
熵的概念不仅在热力学领域有着广泛的应用，还可以引申到其他领域。
在信息论中，熵被用来度量信息的不确定性，即信息的无序度。
熵在信息论中与热力学中的熵有着数学上的相似性，都是描述系统无序度的物理量。
这种类比为信息论提供了一个重要的工具，使之能够研究信息的流动和传递。
总结起来，熵是热力学中一个重要的概念，用于描述系统的无序度。
熵的变化与热力学第二定律密切相关，从而给出了自然界中的一种普遍存在的变化趋势。
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。
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。
第二章热力学第二定律-2系统熵变的计算
解：（1）等温可逆膨胀 △S系统 = nRln（V2/V1）=10.0mol×8.3145J·K-1·mol-1
× ln(2.00/1.00) =57.6J·K-1。 ΔS 环境= -Q实际/Tex= - nRln(V2/V1)
= -ΔS系统 =- 57.6 J·K-1。 ΔS 隔离 = 0 (可逆过程)
△mixS = -(0.041mol ×ln0.66 +0.021mol×ln0.34)×8.3145J.K-1.mol-1 =0.33 J.K-1.
23
理想气体等温等容进行混合求混合熵△mixS ？ 理想气体等温等容进行混合，U=0，H=0，
实际上是绝热可逆过程，混合熵△mixS =0. 同种理想气体等温等容混合，mixS≠0，因
§2-6 热力学第三定律及规定熵
18
对A来说,发生的是在恒温下从体积VA可 逆膨胀到体积V的过程。
SA
nA Rln
VA VB VA
对B
SB
nB Rln
VA VB VB
19
m ix S
nA Rln
VA VB VA
nB Rln
VA VB VB
因为
VA VB VA
yA
, VB VA VB
yB
则 mixS =－ ( nARlnyA＋nBRlnyB) 因为 yA＜1，yB＜1， 所以
故 S = ( 2.81-22.1-1.41)JK-1 =-20.7JK-1
31
寻求可逆途径的依据： (i)途径中的每一步必须可逆； (ii)途径中每步S 的计算有相应的公式可利用； (iii）有相应于每步S 计算式所需的热数据。
32
因为 S系统 = -20.7JK-1，不能用来判 断过冷水结冰过程的自发与否。欲用熵判 据，还需要计算环境的熵变。
热力学第二定律的表述卡诺定理
解热力学第二定律提供了重要的理论支撑。
02
卡诺定理在热力学理论体系中占据着重要的地位，是
热力学理论的重要组成部分。
03
卡诺定理在能源利用、节能减排等领域具有重要的应
用价值，对于推动可持续发展具有重要意义。
05
总结与展望
卡诺定理与热力学第二定律的总结
卡诺定理
卡诺定理是热力学的基本定理之一，它指出在可逆过程中，工作量与热量之间的转换关系，即在一个封闭系统中，工 作量等于热量与温度之比。
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热力学第二定律的表述方式
克劳修斯表述
不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。
熵增加原理
在一个封闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行，直到达 到平衡态，此时熵达到最大值。
柯尔莫哥洛夫表述
对于封闭系统，总存在着一个宏观状态，使得该系统的熵等于最大 值。
02
卡诺定理的介绍
卡诺定理的内容
01
卡诺定理指出，在两个恒温的热源之间工作的可逆热机，其效 率不可能超过工作在相同温度下的可逆热机的效率。
02
可逆热机是一种理想化的机器，其工作过程可以完全逆转而不
产生任何外部效应。
卡诺定理是热力学第二定律的一个重要推论，它揭示了热机效
03
率的极限。
卡诺定理的物理意义
卡诺定理表明，在两个恒温热源之间工作的热机，其效率最高只能达到1T1/T2（T1和T2分别为高温和低温热源的温度）。
这个极限效率是由热力学第二定律所规定的，任何实际热机都无法突破这 一限制。
卡诺定理的物理意义在于它揭示了热机效率的局限性，从而限制了利用热 能转化为机械能的效率。
卡诺定理的重要性
熵的定义
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热力学第二定律和熵专业：能源与动力工程班级：能源14-3班姓名:王鑫学号：1462162330熵的表述在经典热力学中，可用增量定义为式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物质的热量，下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。
若过程是不可逆的，则ds>（dQ/T）不可逆。
单位质量物质的熵称为比熵，记为s。
熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。
热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下述表述方式：①热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而不引起其他的变化；②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地，连续不断地把所接受的热量转变为功（即无法制造第二类永动机）；③在孤立系统中，实际发生过程，总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。
摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。
热量dQ由高温（T1）物体传至低温(T2)物体，高温物体的熵减少ds1=dQ/T1，低温物体的熵增加ds2=dQ/T2，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是ds=ds2－ds1>0，即熵是增加的。
熵的相关定义1.比熵：在工程热力学中，单位质量工质的熵，称为比熵。
表达式为δq=Tds，s称为比熵，单位为J/(kg·K)或kJ/(kg·K)。
2．熵流：系统与外界发生热交换，由热量流进流出引起的熵变。
熵流可正可负，视热流方向而定。
3．熵产：纯粹由不可逆因素引起的熵的增加。
熵产永远为正，其大小由过程不可逆性的大小决定，熵产为零时该过程为可逆过程。
熵产是不可逆程度的度量。
熵增原理孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。
熵增加原理是热力学第二定律的又一种表述，它比开尔文、克劳修斯表述更为概括地指出了不可逆过程的进行方向；同时，更深刻地指出了热力学第二定律是大量分子无规则运动所具有的统计规律，因此只适用于大量分子构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统实质:熵增原理指出:凡事是孤立系统总熵减小的过程都是不可能发生的，理想可逆的情况也只能实现总熵不变，实际过程都不可逆，所以实际热力过程总是朝着使孤立系统总熵增大的方向进行，ds＞0。
热力学第二定律数学表达式
热力学第二定律数学表达式热力学第二定律是热力学基本定律之一，在热力学中占有重要的地位。
而这一重要定律可以通过数学表达式来描述和解释。
下面就让我们来详细了解一下热力学第二定律数学表达式吧！一、熵增原理热力学第二定律最基本的体现就是熵增原理，它表现了自然界中热力学过程的一个普遍趋势，即随着时间的推移，系统总是越来越趋向于无序状态。
量化地表达熵增原理的数学表达式是：ΔS≥0其中，ΔS表示系统的熵变，也即是系统从初始状态到终止状态时，系统熵值的增加量。
二、热力学第二定律数学表达式的其他形式上述的熵增原理式只是热力学第二定律的最常见形式，实际上，它还有很多其他的数学表达式。
以下便是几种重要的表达形式。
1.开尔文-普朗克表述这种表述方式是热力学第二定律最早的表述方式之一，它由开尔文及普朗克共同提出。
表述如下：不可能制造出一个能够从单一热源吸收热量并将其完全转化为功的机器。
2.克劳修斯表述克劳修斯表述是较早的表述方式之一。
它表述如下：任何永久机器不可能从单一的热源吸收热量并将其完全转化为功。
3.克劳修斯-普朗克表述这种表述方式又被称为热力学第二定律的普遍表述方式，其数学表达式如下：任何过程中，系统与其环境总是趋于平衡，而这种平衡过程是只能演化成为平衡状态。
在这一过程中，熵增加，而不会减小。
4.卡诺循环表述卡诺循环表述是热力学第二定律的另一种表述方式。
它表述如下：任何永久机器的热效率都不可能超过对等热源之间温度差异的比值。
总结：以上便是热力学第二定律数学表达式的几种形式，这些表述方式的总结共同表明，自然界中热力学过程总是以能量的稳定放散和熵值的增加为趋势，而这是由热力学第二定律所决定的。
掌握这些数学表达式，对于理解热力学第二定律的内涵和应用具有重要意义。
热力学第二定律的表达及其实质
第五章热力学第二定律与熵§5.1 热力学第二定律的表达及其实质一．热力学第二定律的两种表达及其效性1.自然现象的不可逆过程（建立热二定律的必要性）落叶永离，覆水难收。
欲死灰之复然，艰乎之力；愿破镜之重圆，冀也无端。
人生易老，返老还童只意幻想；生米作成熟饭，无可挽回。
大量成语表明，自然现象，历史人文，大多是不可逆的。
自然界的过程是有方向性的，沿某些方向可以自发地进行，反过来则不能，虽然两者都不违反能量守恒定律。
因此有必要在热力学第一定律之外建立另一条独立的定律，来概括自然界的这种规律，这就是热力学第二定律。
2.热力学第二定律的开尔文表达开尔文在总结如何提高热机效率的过程中发现：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它影响。
（又等效表述为：第二类永动机是不可能实现的）说明：①这里的“单一热源”指温度处处相同且恒定不变的热源；②“其它影响”指除了“内单一热源吸收热量全部转化为功”以外的任何其它变化。
③功变热的过程是不可逆的。
3.热力学第二定律的克劳修斯表达克劳修斯在概括总结如何提高制冷机制冷系数过程中发现：“热量不可能自发地从低温物体传到高温物体”，由此发现：热传递过程也是不可逆的。
4.两种表达的等效性下面用反证法证明这两种表达的等价性。
如图5.1所示的示意图。
反正Ⅰ：若开氏表达不真，则克氏表达也不真。
如图5.1（a）所示。
反正Ⅱ：若克氏表达不真，则开氏表达也不真。
如图5.1（b）所示。
这样就证明了开氏表达与克氏表达的等价性。
二．利用四种不可逆因素判别可逆与不可逆1.四种不可逆因素：①耗散不可逆因素；②力学不可逆因素；③热力学不可逆因素；④化学不可逆因素。
2.可逆与不可逆的判别法则：只有无耗散的准静态过程才是可逆过程，而准静态过程必须同时满足力学热学化学平衡条件的过程才是准静态过程。
因此，一个过程必须同时不包括任何不可逆因素的过程才是可逆的。
而任何一个不可逆过程中必包含有四个不可逆因素中的某一个或某几个。
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；
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
熵增定律的公式
熵增定律的公式全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：熵增定律是热力学中的一个基本定律，它描述了一个封闭系统内熵的增加是不可逆过程中的一个重要物理定律。
该定律首次由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯于19世纪提出。
熵增定律可以用数学公式表示如下：ΔS ≥ 0其中，ΔS表示系统的熵增量，它代表了系统熵的增加。
根据熵增定律，系统的熵在一个孤立系统内永不减少，只可能保持不变或者增加。
这意味着在自然界中，熵会随着时间的推移不断增加，系统会朝着更大的混乱度发展。
这也与热力学第二定律的观点相一致，即自然系统的熵在孤立系统内不会减少。
熵是热力学中一个重要的物理量，它描述了一个系统内部的无序程度。
系统的熵增加意味着系统越来越趋向于混乱状态，而熵的减少则代表系统朝着有序性更高的状态演化。
熵增定律强调了热力学过程的不可逆性，即自然系统中的熵不会自发地减少，反而会随着时间的推移而增加。
这也是自然界中许多过程都呈现出的普遍趋势。
熵增定律的数学表达式ΔS ≥ 0揭示了一个重要的物理现象，即在一个孤立系统内，即使系统发生了热力学过程，系统的熵也不会减少。
这也说明了熵是一个与时间相关的物理量，它随着时间的推移而增加。
这与我们日常生活中的经验相符，我们经常看到自然界中的事物趋向于更大的混乱度，而不是有序性。
熵增定律的数学表达式还可以进一步拓展到更复杂的系统和过程中。
例如，在开放系统或非平衡态系统中，系统的熵增量可能会受到外部环境的影响。
这时系统内部的熵增加可能受到外部压力或温度等因素的影响，导致系统的熵增速率不再简单地遵循ΔS ≥ 0的关系。
因此，在实际应用中，可以根据具体系统的特性和外部条件来进一步拓展熵增定律的数学表达式，以更好地描述系统的热力学过程。
总的来说，熵增定律是热力学中一个基本的物理定律，它描述了系统内熵的增加是不可逆过程中的一个重要现象。
熵增定律的数学表达式ΔS ≥ 0揭示了系统熵不会减少的基本规律，这与热力学第二定律的观点相一致。
热力学第二定律与熵
（3）Q1 =
A Pt
实 = 实
=
50×106 0.49
=
1.02108 J
（4）Q2 = Q1 – A = Q1 (1 –实) = c m t
t = Q1 (1 –实) = 1.02108 – 50106
cm
1 10 106
= 1.23 C
3、热力学温标 工作于两个温度不同旳恒温热源间旳一
切可逆卡诺热机旳效率与工作物质无关，仅 与两个热源旳温度有关。这种热机旳效率是 这两个温度旳一种普适函数。
P
O
V
对于任意一种可逆循环能够看作为由无 数个卡诺循环构成。
P
O
V
对于任意一种可逆循环能够看作为由无 数个卡诺循环构成。
P
O
V
对于任意一种可逆循环能够看作为由无 数个卡诺循环构成。
P
O
V
对于任意一种可逆循环能够看作为由无 数个卡诺循环构成。
P
O
V
对于任意一种可逆循环能够看作为由无 数个卡诺循环构成。
体间温度旳高下，而第二定律却能从热量自 发流动旳方向鉴别出物体温度旳高下。
热力学中把功和热量传递方式加以区别 就是因为热量具有只能自动从高温物体传向低 温物体旳方向性。
任何一种不可逆过程旳说法，都可作为热 力学第二定律旳一种表述，它们都是等价旳。
§3-2 卡诺定理
1. 工作于相同高温热源 T1 及相同低温热 源 T2 之间旳一切可逆热机旳效率都相等， 与工作物质无关，都为：
tr 273.16K
热力学温标及用理想气体温标表达旳
任何温度旳数值之比是一常数。
A=1 ，在理想气体温标可合用旳范围， 热力学温标与理想气体温标完全一致。
热力学第二定律的熵概念
热力学第二定律的熵概念热力学是研究物质的宏观性质和能量转化规律的科学分支。
其中，热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它描述了自然界中能量向无序状态转化的趋势。
而熵概念则是热力学第二定律的核心内容之一，它反映了系统的无序程度。
热力学第二定律可以简单地表述为：孤立系统的熵不断增加。
熵用数学符号S表示，是热力学中的一个重要物理量，它是描述系统混乱度、无序程度的度量。
熵增加意味着系统的无序程度增加，而熵减少则表示系统有序程度的增加。
熵概念最初由奥地利物理学家路德维希·博尔兹曼在19世纪末提出，并由此成为热力学的基本理论之一。
博尔兹曼通过研究气体分子的运动，发现了熵与系统的微观状态数目之间存在关系。
他提出了著名的博尔兹曼熵公式：S = k ln W其中，S表示系统的熵，k为博尔兹曼常数（k = 1.38 × 10^-23 J/K），W为系统的微观状态数目。
这个公式表明，系统的熵与系统的微观状态数目呈正比。
熵概念的引入使得热力学可以从微观角度解释宏观现象，揭示了自然界中无序度增加的普遍规律。
根据热力学第二定律，任何不可逆过程都会导致系统的熵增加。
不可逆过程是指无法逆转的能量转化过程，如热传导、摩擦等。
而在一个孤立系统中，熵的增加是不可逆过程的不可避免结果。
熵增加的过程可以用一个简单的例子来解释。
考虑一个密封的房间，内部有一份报纸和一个火柴。
一旦纸张被点燃，它将产生大量的烟雾，整个房间将变得混乱不堪。
在点燃之前，纸张和火柴是有序排列的，而点燃之后，烟雾弥漫整个房间，系统的无序度（熵）明显增加。
这个例子符合热力学第二定律的要求，即系统的熵不断增加。
熵概念的引入为物理学研究提供了重要参考，并且在很多领域都有应用。
在工程学中，熵是衡量能量利用效率的指标之一，工程师可以通过优化系统设计和能量转换过程，降低系统的熵增加速率，提高系统的能量转换效率。
在生物学中，熵概念用于研究生物进化和自组织结构等问题。
热力学第二定律 概念及公式总结
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）（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（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。
云南师范大学热力学统计物理期末复习讲解
各章知识点整理和复习第一章热力学的基本定律知识点1、热力学第一定律dU dQ dW2、热力学第二定律3、热力学基本方程dU TdS pdV4、热力学第二定律的数学表述dU TdS pdV5、克劳修斯熵BRB AAd QS ST，玻尔兹曼熵lnS k6、熵增加原理。
复习题1、简述热力学第二定律及其统计解释。
参考：热力学第二定律的开尔文表述：热不可能全部转变为功而不引起其他变化。
热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体。
或第二类永动机不可能。
热力学第二定律的微观意义是，一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性（或混乱度）增大的方向进行,系统对应的微观状态数增大，根据玻尔兹曼熵lnS k，因此系统的熵值增加，即熵增加原理。
2、简述熵增加原理及其统计解释。
参考：孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向进行。
根据玻尔兹曼熵公式lnS k，可知孤立系统中所进行的自然过程总是向着微观状态数（或混乱度）增大的方向进行。
第二章均匀物质的热力学性质知识点1、基本热力学函数的全微分和麦氏关系的得出。
dU TdS pdV dH TdS Vdp dF SdTpdVdGSdT Vdp()()()()()()()()S VS p T V TpT p V S T Vp S S pV T S VpT2、麦氏关系的应用。
2、气体的节流过程。
3、特性函数的应用。
4、热辐射（平衡辐射）的热力学结果，斯特方玻尔兹曼定律。
复习题1、写出焦汤系数的数学表达式，简述节流过程的特点；利用焦汤系数分析通过节流产生致冷效应、致温效应和零效应的原理。
（P57）2、证明能态方程TVU p Tp VT。
参考：选T 、V 作为状态参量时，有VTU U dU dT dV TdS pdVTVVTS S dSdTdVTV 得：VTS S dU T dT Tp dVTV比较得：TTU S TpV V将麦氏关系TVS p VT代入，即得TVU p TpVT3、证明焓态方程pTH V V TpT 。
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)（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（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。
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习题4.4 推导理想气体的宏观熵变的表示式：
dS CV
dT R dV
T
V
CV
dP P
C
p
dV V
C p
dT T
R dP
P
证明： PV RT
PdV VdP RdT
两边分别除以PV、RT得 dV dP dT
V PT
dS 1 (dU PdV) T
dU CV dT
dS
CV
dT T
/
K
19
习题4.2 一摩尔氧气原处于标准状态，经
(1)准静态等温过程体积膨胀至4倍；(2)先经准静态等压
过程体积膨胀至4倍，然后再等容冷却至(1) 中达到的末
态分别计算两个过程中的熵变。 P A
解法1： SB SA
B
(
A
Q T
)可
逆
B Q
B PdV
SB SA
( AT
)等温
(
A
T
)等 温
R dV
V
dS
CV
dP P
C p
dV V
dS
C p
dT T
R
dP P
23
习题3.9 将1摩尔的单原子理想气体经AB等温准静态
膨胀过程，B C等压准静态压缩，C A等容准静态
过程完成正循环，已知tA=2000C,VA=3.0升,VB=6.0升 求：TC？哪个过程吸热的？吸收的总热量是多少？ 此热机的效率是多少？
ln
P P0
等压过程
S
S0
CP
ln
T T0
C
P
ln V V0
绝热过程 Q 0
S S0 0
11
2 相变的熵变计算
在一定气压下冰溶化成水，水沸腾成汽，称为相变过程
相变过程是在温度不变下进行的，即在恒温下吸收(或
放出）一定的热量（潜热）的过程，可视为可逆过程，
其熵变
S熔解
水(Q
冰T
)
R
若系统是不绝热的，则可将系统和外界看作一 复合系统，此复合系统是绝热的，则有
(dS)复合=dS系统+dS外界
若系统经绝热过程后熵不变，则此过程是可逆的； 若熵增加，则此过程是不可逆的。
—— 可判断过程的性质
孤立系统内所发生的过程的方向就是熵增加的方向。 —— 可判断过程的方向
8
3.3 熵变的计算
1 理想气体的熵变
1
2 T0
（如图）求两态熵差。
V1 V2 V
17
Q dU PdV PdV
PV RT
S2 S1
2 Q
1T
2 PdV 1 T0
R 2 dV R ln V2 0
1V
V1
A
B
S > 0证实了 理想气体自由膨胀是不可逆的。
18
习题4.1 1kg的水在一个大气压下进行下述 过程的熵变：(1)1000C水汽化为1000C的水蒸气；(2)00C 的水转变为1000C的水蒸气；(3)水结成冰过程中的熵变。
状态函数的引入
2
任意的可逆循环可以
P
看作许多卡诺循环
因此
(Q
T
)可逆
0
再看循环如图:(A1B2A)
O
(Q T
)可 逆
A1B
(Q
T
)可
逆
(Q
B2A T
)可 逆
0
A1B
(Q
T
)可 逆
B
2
A
(
Q
T
)可
逆
A
2
B
(
Q
T
)可
逆
说明
(
Q
T
)可逆
与过程无关
p
1
用状态函数S称为熵来表示
熵的增量 SB SA
B
(
A
Q
T
)可
逆
无限小过程
dS
(Q
T
)可 逆
A O (SA)
V
B (SB) 2
V
3
对于无限小的可逆过程 Q dS T
熵的微分定义式
T为系统温度，S称作熵，是状态函数
对于状态A和B，有
B Q
SB SA
(
A
T
)可 逆
熵的积分定义式
系统处于B态和A态的熵差，等于沿A、B之间 任意一可逆路径的热温比的积分
作业：4-3 8-11（新版）
1
§3 熵 热力学第二定律的数学表述
3.1 熵态函数
一个不可逆过程，不仅在直接逆向进行时不能 消除外界的所有影响，而且无论用什么曲折复 杂的方法，也都不能使系统和外界完全恢复原 状而不引起任何变化。因此，一个过程的不可 逆性与其说是决定于过程本身，不如说是决定 于它的初态和末态。这预示着存在着一个与初 态和末态有关而与过程无关的状态函数，用以 判断过程的方向。
9
这是以（T，V）为独立变量的熵函数的表达式。
S
S0
CV
T ln
T0
R ln V
V0
同样可求出以（T，P）和（P，V）为独立变量 的熵函数的表达式分别为(由状态方程可求得)
V P0 T
V0
P T0
S
S0
CP
T ln
T0
R ln
P P0
T PV
T0
P0 V0
S
S0
C P
V ln
V0
CV
ln
–1、把熵作为状态参量的函数表达式推导出来， 再将初末两态的参量值代入，从而算出熵变。
–2、可设计一个连接同样初末两态的任意一个可
逆过程R，再利用
B Q
SB SA
(
A
T
)R
13
例题1
由绝热壁构成的容器中间用导热隔板分成两部分，
体积均为V，各盛1摩尔同种理想气体。开始时左
半部温度为TA，右半部温度为TB（<TA）。经足 够长时间两部分气体达到共同的热平衡温度
ln (TA TB )2 4TATB
0
(TA TB )2 1 4TATB
热传导为不可逆过程的典型例子，
此题证实不可逆过程的熵增加。
15
例题2 已知在 P=1.013105 Pa 和 T=273.15 K 下，1.00 kg冰融化为水的融解热为h =334 kJ/kg。试求 1.00kg冰融化为水时的熵变。
如图撤去档板 焦耳-汤姆孙实验气体温度、内能不变，
dU=0，A=0 ，所以Q=0
A
B
气体进行的是绝热自由膨胀
气体膨胀前:V1,p1,To,S1 气体膨胀后:V2,p2,To,S2
由于焦尔定律，膨胀前后温度T0 不变。为计算这一不可逆过程的
P
熵变，设想系统从初态(T0，V1)，
到终态(T0，V2)经历一可逆等温 膨胀过程，可借助此可逆过程
解： TA=TB=473.15K TB VB P A
TC
TB
VA VB
TB 2
236.57K
TC
VA
C
AB过程吸热： QAB
CA过程吸热：
RTA
ln
VB VA
2725.4J
/
K
B V
QCA CV (TA TC ) 1.5R (473.15 236.57) 2948.8J / K
B C 过程放热 QBC CP (TC TB ) 2.5R 236.75 4918.5J / K
T 12 (TA TB )
试计算此热传导过程初终两态的熵差。
解 根据理想气体熵变计算
初态：左半部气体有 设S0是参考态（T0，V0）的熵
S A初
S0
CV
ln TA T0
V R ln
V0
右半部气体有
TA
TB
S B初
S0
CV
ln TB T0
V R ln
V0
14
整个系统初态
S初
S A初
S B初
CV
ln
R ln TC R ln 4 11.5J / K TA
VATC VCTA VC :VA 4
20
解法2：
–把熵作为状态参量的函数表达式推导出来， 再将初末两态的参量值代入，从而算出熵变。
S
S0
CV
T ln
T0
R ln V
V0
本题中A、B态同在一条等温线上，且体积之比为1:4 的一摩尔氧原子，所以得：
P P0
10
S是状态函数。在给定的初态和末态之间，系统无论 通过何种方式变化（经可逆过程或不可逆过程）， 熵的改变量一定相同。
当系统由初态A通过一可逆过程R到达末态B时 求熵变的方法（直接用上述结果）
等温过程 等容过程
S
S0
R ln V
V0
R ln
P P0
S S0
CV
T ln
T0
CV
由A到B沿不可逆
SB S A
B Q
( AT
)不 可 逆
路径热温比的积 分小于两态熵差
对元过程：dS
(Q
T
)不 可 逆
5
热力学第二定律的数学表示
SB S A
B Q AT
dS Q T
“=”可逆过程 过程
“ > ”不可逆
综合第一定律 Q = dU + PdV 和第二定律 Q = TdS TdS = dU + PdV
热力学基本方程
6
3.2 熵增加原理 第二定律熵表述
对于绝热过程Q = 0，由第二定律可得
dS Q 0 T
“=”可逆过程 “ > ”不可逆过程