物理化学Lesson11-12 热力学第二定律
热力学第二定律-PPT课件
答案 C
18
典例精析 二、热力学第一定律和热力学第二定律
返回
【例3】 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正 确的是( ) A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，
而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式 的能，故这两条定律是相互矛盾的 B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响， 故两条定律并不矛盾
答案 B
15
典例精析 一、热力学第二定律的基本考查 返回
【例2】 如图1中汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是 导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的， 但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并 通过活塞对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则 下列说法正确的是( )
的是( D )
A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达 到绝对零度
B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的 C．第二类永动机遵从能量守恒定律，故能制成 D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，同时空
气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了0.5×105 J
解析 由于汽缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连 接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，所 以汽缸内的气体温度也不变，要保持其内能不变，该过程气体 是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能 保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律．此过程由外 力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可 能发生．
程都具有
，都是不可逆的．
方向性
7
一、热力学第二定律 返回 延伸思考
热传导的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物 体”？ 答案 不能．
(2024年)热力学第二定律ppt
06
总结与展望
27
课程总结回顾
热力学第二定律的基本概念
阐述了热力学第二定律的两种表述方式，即热量不可能自发地从低温物体传到高温物体， 以及所有热机的工作效率都不可能达到100%。
熵增原理
介绍了熵的概念，解释了为什么自然过程总是朝着熵增加的方向进行，以及熵增原理在热 力学、统计物理和化学等领域的应用。
熵增原理
在孤立系统中，一切实际过程都使 系统的熵增加。
7
02
热力学第二定律数学表达式
8
熵增原理及数学表达式
熵增原理
在孤立系统中，熵（代表系统的 无序程度）总是趋向于增加，即 系统总是自发地向更无序的状态 发展。
数学表达式
dS ≥ 0，其中S表示熵，dS表示 熵的变化量。等号成立时表示可 逆过程，大于零时表示不可逆过 程。
在物理学、化学、生物学等其他自然科学领域中，热力学第二定律可以帮助我们理 解各种自然现象和过程。
在经济学、社会学等社会科学领域中，热力学第二定律也可以为我们提供新的视角 和思考方式。
22
05
热力学第二定律实验验证及现象解 释
23
实验验证方法介绍
卡诺热机实验
通过测量热机在不同热源 温度下的效率，验证热力 学第二定律的正确性。
热力学第二定律的应用
讨论了热力学第二定律在能源转换、环境保护和生命科学等领域的应用，如热机的效率、 制冷机的性能系数、生态系统的能量流动等。
28
对未来研究方向的展望
1 热力学第二定律与量子力学的结合
探讨在量子力学框架下热力学第二定律的适用性，以及 如何利用量子力学原理来设计和优化新型热机和制冷机 。
不可逆过程
自然界中的许多过程都是不可逆的，如热传 导、扩散、化学反应等，这些过程都伴随着 能量的耗散和损失。
热力学第二定律ppt课件
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。
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。
P61
对宏观过程方向的说明，都可以作为热二的表述。 例如：气体向真空的自由膨胀不可逆；
一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
P61
柴薪时期
煤炭时期
石油时期
P61-62
Q2=Q1+W Q1=Q2+W
热机工作时能否将从高温热 库吸收的热量全部用来做功？
不能，从高温热库吸收的热量的一部分 用来做功，剩余的部分释放到低温热库。
Q1
热机工作：
P60
燃料燃烧 冷凝器或大气
漏气热损 散热热损 摩擦热损
燃料产生的 热量Q
输出机械功W
W< Q
P60
P61
对周围环境不产生 热力学方面的影响, 如吸热、放热、做 功、压强变化等。
P59
适用于宏观过程对微观过程不适用
P59
电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会 继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低 温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学 第二定律呢？
不违背。电冰箱能实现热量从低温物体传给高温 物体，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。
制冷机工作时热量是自发地 从低温热库传到高温热库吗？ 不是，有外界做功。
3.4 热力学第二定律
P59
可能发生这样的逆过程吗？ 热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的
可能发生这样的逆过程吗？
功可以自动转化为热 ， 但热却不能自动转化为功。 通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的。
热现象
物体间的传热 气体的膨胀
大学物理课件第11章热力学第二定律
Q2 Q1 -A，Q '2 Q '1 -A Q2 Q '2
11.7 克劳修斯熵公式
克劳修斯熵公式（Clausius, 1865） 当体系由平衡态 1 经历任意过程变化到 平衡态 2，体系熵的增量为 2 dQ S＝S2－S1＝ 1 T
( R)
dQ —体系从温度为T 的热库吸收的热量， 积分沿连接态1 和态2 的任意可逆过程进 行。
炉子在100℃供给水热量ΔQ=cm(T2-T1).这 是不可逆过程 ,考虑到炉子温度未变 ,设计一个 可逆等温放热过程来求炉子的熵变,即有
S
2
1
cm T2 T1 dQ 1 2 dQ 9.01102 J / K T T2 1 T2
27
例11-4 气 体 熵 变 。 1mol 理 想 气 体 由 初 态 (T1,V1)经过某一过程达到末态(T2,V2),求熵变. 设气体的CV,m为常量。 解:
dQ 1 S dQ R ln V2 / V1 T0 T0
33
这一结果与前面用玻耳兹曼熵公式得到的 结果相同。因为 V2>V1, 所以 ΔS>0. 这说明理 想气体经过绝热自由膨胀这个不可逆过程 熵是增加的。又因为这时的理想气体是一 个孤立系 , 所以又说明一孤立系经过不可逆 过程总的熵是增加的。
8
⒉克劳修斯表述 Clausius statement 1850
——热量不能自动地从低温物体传向高温 物体。
热量 高 低
√
核心：能量的传递是有方向性的。 克氏和开氏两种表述是等价的。
9
二、热力学第二定律的微观意义 从微观上考察自然过程的方向性：
e.g. ①功变热
热力学第二定律具体内容
热力学第二定律具体内容：热力学第二定律是热力学定律之一,是指热永远都只能由热处转到冷处.热力学第二定律是描述热量的传递方向的分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能.此定律的一种常用的表达方式是,每一个自发的物理或化学过程总是向著熵（entropy）增高的方向发展.熵是一种不能转化为功的热能.熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度.高、低温度各自集中时,熵值很低；温度均匀扩散时,熵值增高.物体有秩序时,熵值低；物体无序时,熵值便增高.现在整个宇宙正在由有序趋于无序,由有规则趋于无规则,宇宙间熵的总量在增加.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引起其他变化.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.开尔文表述还可以表述成：第二类永动机不可能造成.若要简捷热能不能完全转化为机械能,只能从高温物体传到低温物体。
热力学第二定律 课件
拓展二 热力学第一、第二定律的比较及两类永动机 的比较
1．一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，能不 能把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来？
提示：不可能，机械能和内能的转化过程具有方向性， 内能转化成机械能是有条件的．
2．什么是第二类永动机？为什么第二类永动机不可 能造成？
提示：能够从单一热源吸收热量并把它全部用来做 功，而不引起其他变化的热机称为第二类永动机．第二类 永动机不可能制成的原因是因为机械能和内能转化过程 具有方向性，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却 不能全部转化为机械能，而不引起其他变化．
提示：不会降低室内的平均温度．若将一台正在工作 的电冰箱的门打开，尽管可以不断向室内释放冷气，但同 时冰箱的箱体向室内散热，就整个房间来说，由于外界通 过导线不断有能量输入，室内的温度会不断升高．
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产 生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义．
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给 低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生 影响或借助其他物体提供能量等．
答案：B
热力学第二定律
知识点一 热力学第二定律的第一种表述
提炼知识 1．热力学第二定律： (1) 一 切 与 热 现 象 有 关 的 宏 观 自 然 过 程 都 是 不 可 逆 的．如物体间的传热，气体的膨胀、扩散……都有特定 的方向性． (2)反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二 定律．
2．热力学第二定律的第一种表述，克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体．
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观 过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面 的影响．如吸热、放热、做功等．
物理化学热力学第二定律课件
为了解决环境问题，需要采取节能减排措施，提高能源利 用效率，减少能量耗散和损失。同时，需要推动可持续发 展战略，实现经济发展和环境保护的良性循环。
03
热力学第二定律在环保技术中的应用
热力学第二定律在环保技术中有着广泛的应用，例如在热 力发电、制冷、空调、汽车节能等领域。通过合理利用和 回收能源，可以有效降低能量耗散和损失，提高能源利用 效率，从而减少对环境的负面影响。
热力学第二定律
孤立系统的总熵不会减少，即自然发生的反应总是向着熵增加的 方向进行。
熵与热力学第二定律的关系
热力学第二定律表明孤立系统的总熵总是增加的，即系统总是向着 更加无序和混乱的状态发展。
统计意义
熵的增加反映了自然界的不可逆过程和自发的变化方向，是自然界 的基本规律之一。
06 热力学第二定律的局限性 与发展
非平衡态热力学的提出
01
为了解决热力学第二定律的局限性热力学的应用
02
非平衡态热力学可以描述系统在非平衡态下的性质和行为，为
研究复杂系统提供了有力工具。
非平衡态热力学的挑战
03
非平衡态热力学的理论体系尚不完善，仍需进一步发展和验证
。
理想热机与实际热机的效率
理想热机是指没有能量耗散和损失的热机，其效率可以达到百分之百。然而在实际应用中 ，由于各种原因（如摩擦、不完全燃烧等），实际热机的效率总是低于理想热机的效率。
提高热机效率的方法
为了提高热机效率，可以采取多种方法，例如改善燃烧过程、减少摩擦和内部泄露、回收 和利用余热等。这些方法可以有效降低能量耗散和损失，从而提高热机的转换效率。
系统无序程度的量度。
热力学概率与自发过程的关系
自发过程总是向着热力学概率增加的方向进行，即向着更 加无序的方向发展。这也是热力学第二定律的实质。
热力学第二定律 课件
4．第二类永动机 (1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功 而不引起其他变化的热机。 (2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永
动机不违反能量守恒定律 ，但大量的事实证明，在任何
情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把 吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量 传给低温热库。
(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一 系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物 质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据 报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除 了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高 温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法 都不可能加以消除。
3．机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运 动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递 出去的 热量 后，在地面上重新运动起来。
4．气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨 胀，但绝不可能出现气体 自发地 从容器中流出，容器变为真空。
5．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 6．热力学第二定律：反映宏观自然过程的 方向性 的定律。
热力学第二定律与热力学第一定律比较
1．两个定律比较：①热力学第一定律是能量守恒定律 在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量 保持不变。②热力学第二定律是指在有限的时间和空间内， 一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性。
2．两类永动机的比较
第一类永动机
第二类永动机
不消耗任何能量，可 将内能全部转化为机械能， 设计 以不断做功(或只给予 而不引起其他变化(或只有 要求 很小的能量启动后， 一个热源，实现内能与机
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T
定义该状态函数为熵（S，J ·K-1）。
S SB SA
B δQr AT
或 dS δQr T
说明：
1、熵与内能、焓一样，是系统的状态函数，广度 性质（具有加和性）。
2、熵与热温商：熵是状态函数，其变化值ΔS只与 始、终态有关。而热温商是途径函数，与过程 变化的途径有关。 可逆过程的热温熵是熵函数变化值的量度：
过程构成的循环。
(1)
Q2
W1
RT2
ln
V2 V1
(2) W2 = ΔU2 = CV, m(T1 - T2)
(3)
Q1
W3
RT1
ln
V4 V3
(4) W4 = ΔU4 =CV, m(T2 - T1)
ΔU = 0，Q = -W
W
Q1
Q2
(W1
W2
W3
W4 )
R(T2
第六节 熵变的计算
实际过程： S孤立 S系统 S环境 0
ΔS系统：(1) 确定始、终态；
(2) 在始、终态之间设计可逆过程；
(3) 计算公式S系统 SB SA
B δQr AT
ΔS环境：把环境看做无穷大热源，与系统的热交换
都是可逆的（平衡状态），且T不变：
S环境
（三）理想气体混合过程（等温、等压） ΔU = ΔH = W = Q = 0，ΔS > 0（不可逆过程）
二、变温过程中熵变的计算
（一）等容变化
S
C T2
T1 V
dT T
（二）等压变化
S
T2 T1
Cp
dT T
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WR1 5743J
WI3 44.90103 J
上一页
WR2 5743J
I1+R2: Q=-W=-WI1-WR2 =-5743J (系统放热，得功）
I2+R2: Q=-W=-WI2-WR2 =-3498J (系统放热，得功）
R1+R2: Q=-W=-WR1-WR2 = 0
I3+R2: Q=-W=-WI3-WR2 = 39.16×103J
克劳修斯：热从低温物体传给高温物体而不产生其
它变化是不可能的。
T1
反 证
法
Q1
证
Q2
热机 W
两 种
Q2
说 法
T2
等 价
T1
Q1 W
热机
Q1 Q3
制冷机
Q3
T2
开尔文：从一个热源吸热，使之完全转化为功，而
不产生其它变化是不可能的。
3.热力学第二定律(the second law of thermodynamics) 克劳修斯：热从低温物体传给高温物体而不产生其
它变化是不可能的. 开尔文：从一个热源吸热，使之完全转化为功，而不
产生其它变化是不可能的。
注意不要把开尔文说法说成：功可以完全转化为热，
而热不能完全转化为功。遗留的其他变化很重要。
理想气体恒温膨胀时，它所吸收的热全部用来做功，
这是否违背开尔文说法?
不违背
它没有否定还有其它变化，此时附带的另一变化是 气体的体积变大，即系统的状态改变了
过程——体系状态随时间发生变化。
平衡态——在没有外部影响的条件下，系统的所 有宏观性质不随时间变化的状态。
平衡体系的状态得以发生变化依赖环境的影 响，只有来自于体系外部的影响才能使处于平衡 态的体系发生变化。
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：起始的商（数值上相等）：终态的熵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。
物理化学热力学第二定律完整ppt课件
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”。
可逆过程） S(相变）TH(相 (相变变））
(3)理想气体（或理想溶液）的等温混合过程，并
符合分体积定律，即
xB
VB V总
m ixSR nBlnxB B
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等温过程的熵变
例1：1mol理想气体在等温下通过：(1)可逆膨胀， (2)真空膨胀，体积增加到10倍，分别求其熵变。
解：（1）可逆膨胀
Q R inV ,C m T i T 1 niR lV n V 1 2 T nV ,C m T 1 T i
QRi nRTi lnVV12
结论：
始终态相同，途径不同，过程的热 QRi 亦不同。但是
QRi nRlnV2 对所有的可逆途径均相等。
Ti
V1
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6
2.2.2 熵函数
(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。
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2
2.2 热力学第二定律（The Second Law
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。
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物理化学教案
无序度增大的过程是熵增大的过程。
熵是量度系统无序度的函数。
克劳修斯不等式T Q dS /δ≥ 3.5
可逆过程的熵变大于不可逆过程的热温商
计算不可逆过程的熵变时，不能用该过程的实际热温商，而应设计一条可逆途径，计算可逆途径的热温商才是该过程的熵变
1.4熵增原理
1. 系统经历一绝热不可逆过程，由Clausius 不等式可知其熵变大于
零：
S > 0 (封闭系统，绝热不可逆过程）
2. 将Clausius 不等式应用于隔离系统，在隔离系统中发生的任何过
程均为绝热过程，因此：⎩⎨⎧>=∆不可逆过程 0
可逆过程 ，0隔）(,S 在绝热
过程中熵不可能减少。
3. 对于封闭系统，系统 + 环境为隔离系统，S(隔) = S(系) + S(环)，
因此：⎩⎨⎧
>=∆+∆不可逆 ，0 可逆 ，0)环()系(S S
一切可能发生的宏观过程，即不可逆过程，均向着隔离系统熵增大的方向进行，直至平衡时熵达到该条件下的极大值；任何可能的过程，均不会使隔离系统的熵减少。
4. 熵判据，非绝热过程能否发生
Clausius 不等式，∑→-∆B A B A T Q S δ 3.6
ΔS(隔)=ΔS(系)+ΔS(环) 3.7
判断过程是否可逆不能仅用系统的熵变作判据，而必须是隔离系统的熵变，即ΔS 系+ΔS 环，计算时应计算ΔS 系，ΔS 环
下面就来讨论一下几种常见的物理过程熵变的计算及熵判据的应用
一、环境熵变的计算
若环境由处于平衡态的不发生相变化和化学变化的物质所构成。
ΔSamb ＝Qamb/Tamb ＝- Qsys/Tamb
二、定温过程的熵变
1、绝热可逆过程ΔS ＝0 (1)
2、任意定温可逆过程ΔS ＝∫δQr/T ＝Qr/T (2)
3、理想气体定温可逆过程
ΔS ＝(nRTlnV2/V1)/T=nRln V2/V1=nRlnP2/P1 (3)
三、定压或定容条件下的变温过程的熵变
1、定压变温过程ΔS ＝∫δQr/T ＝∫C P dT/T ＝C P ln T2/T1
即ΔS ＝nCP,mlnT2/T1 (4)
2、定容变温过程ΔS ＝∫δQr/T ＝∫C V dT/T ＝C V ln T2/T1
即ΔS ＝nCV ,mlnT2/T1 (5)
四、 理想气体(P 、V 、T)状态改变条件下的熵变,可逆过程，
W’=0
pdV dU W -dU Q -r
r +=-d ＝d T pdV dU T
Q -dS r
+=d ＝ ⎰⎰+=∆2
121d ＝T pdV dU T Q -S r
3.8 理想气体ＰＶＴ变化的通式，熵是状态函数，不局限于可逆过程 12-m V,12-m ,2
112-m ,1212m V,ln nC V V ln
nC nRln T T ln nC V V nRln T T ln
nC p p p p S p p +=+=+=∆ 1
221ln ln V V nR p p nR S T ==∆。