第3章 热力学第二定律(课堂PPT)

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《物理化学》第三章 热力学第二定律PPT课件

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例一:理想气体自由膨胀
原过程:Q=0,W=0,U=0, H=0
p2,V2
体系从T1,p1,V1 T2, 气体
真空
复原过程:
复原体系,恒温可逆压缩
WR
RT1
ln
V2 ,m V1,m
环境对体系做功
保持U=0,体系给环境放热,而且 QR=-WR
表明当体系复原时,在环境中有W的功变为Q的热,因 此环境能否复原,即理想气体自由膨胀能否成为可逆 过程,取决于热能否全部转化为功,而不引起任何其 他变化。
它们的逆过程都不能自动进行。当借助外力,系统 恢复原状后,会给环境留下不可磨灭的影响。
•化学反应 Zn+H2SO4等?
如图是一个典型的自发过程
小球
小球能量的变化:
热能
重力势能转变为动能,动能转化为热能,热传递给地面和小球。
最后,小球失去势能, 静止地停留在地面。此过程是不可逆转的。 或逆转的几率几乎为零。
能量转化守恒定律(热力学第一定律)的提出,根本上宣布 第一类永动机是不能造出的,它只说明了能量的守恒与转化及 在转化过程中各种能量之间的相互关系, 但不违背热力学第一 定律的过程是否就能发生呢?(同学们可以举很多实例)
热力学第一定律(热化学)告诉我们,在一定温度 下,化学反应H2和O2变成H2O的过程的能量变化可用U(或H) 来表示。
热力学第二定律(the second law of thermodynamics)将解答:
化学变化及自然界发生的一切过程进行 的方向及其限度
第二定律是决定自然界发展方向的根本 规律
学习思路
基本路线与讨论热力学第一定律相似, 先从人们在大量实验中的经验得出热力学第 二定律,建立几个热力学函数S、G、A,再 用其改变量判断过程的方向与限度。

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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.

热力学第二定律1ppt课件

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做功,只有以从高温热源吸收一部分热量,再放掉其中一部
分热量给低温热源为代价,否则不能做功.
• 卡诺循环的热温商之和等于零,不可逆循环的热温商之和小
于零。
.
22
§3.3 熵
1.熵的导出
卡诺循环结论
2 pa
Q1 Q2 0 T1 T2 推广到任何可逆循环:
Q Ri0 或 Q 0
i Ti
TR
b 1
• 任意可逆循环的V 分割 红线恒温可逆, 蓝线绝热可逆.
2.卡诺定理
卡诺定理:在高低温两个热源间工作的所有热机中,以可逆 热机的热机效率为最大。(反证法)
.
21
irW Q1Q1Q 1Q21Q Q1 2
r
1Q2 Q1
1-T2 T1
结论:
QQ
1 2 0 TT
可逆循环取等号
1
2
• 循环过程是可以对外做功的.
• 理想气体卡诺热机的效率η恒小于1, 且只与两个热源的温度 (T1, T2)有关, 温差愈大, η愈高。也就是说,卡诺热机要对外
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。即热功转变的不可逆性。
热:能量传递的低 级形式:无序能
高级能可以无条件地 转变为低级能;低级 能全部转变为高级能 是有条件的——给环
境留下影响。
.
功是能量传递的高 级形式:有序能
10
第二类永动机是不可能造成的
.
11
对热力学第二定律的说明: (1)热力学第二定律是实验现象的总结。它不能被任 何方式加以证明,其正确性只能由实验事实来检验。 (2)热力学第二定律的各种表述在本质上是等价的, 由一种表述的正确性可推出另外一种表述的正确性。

热力学第二定律ppt课件

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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,使之全部变成 功 ,而不产生其他影响。 1.热机效率无法达到100%,总会有热损 2.任何热机都不可能把内能全部转化机械能
第二类永机不可制成,不可以制成的原因:违背热力学第二定律 热力学第二定律的各种表述都是的 等价 ,并可从一种表述导出另一种表述
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
三、 热力学第二定律的开尔文表述
②不可能从单一热源吸收热量,使之全部变成 功,而不产生其他影响
机械能
全部转化(自发)
转化中有其他影响 (要向低温热库放热)
内能(热)
不产生其他影响:对周围环境不产生热力学方面的影响,如吸热、放 热、做功等
不会 因为分子的扩散运动是从密度较大的区域向密度较小的区域进行 并且这个过程是不可逆
一、自然界中宏观过程的方向性
情景二:将一块烧红的铁块投入冷水中,会发生什 么现象?
铁块放热,温度降低,水吸热,温度升高;最终两 者温度相同。
问题:一段时间后会不会出现铁块温度升高,水的温度 降低的情况?
不会出现;说明热量可以自发地从高温物体传到低温物体 而不可以自发地从低温物体传到高温物体
生其它影响。此时热机的效率η=1(100%), η=1的热机称为第二类永动机。
下列说法正确的有( D )
A.第二类永动机和第一类永动机一样,都违背了能量守恒定律,因此 不可能制成
B.根据能量守恒定律,经过不断地技术改进,热机的效率可以达到 100%
C.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能真正出现的
(多选)下图为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时,强迫制冷剂在 冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热 量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的 是( BC )

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五、熵判据与熵增原理
• 1、绝热过程 • 当Q=0时: • dS(绝热)≥0 • S(绝热)≥0
=0
是绝热可逆过程
〉0 是绝热不可逆过程 • 上式表明系统发生一个绝热过程,若是绝热可逆过程则 熵不变,若是绝热不可逆过程则熵增大,系统发生一个 绝热过程,熵不可能减小。
2.(隔离系统)熵判据 由于隔离系统进行的任何过程必然是绝热的。所以 隔离系统一切可能发生的过程,均向着熵增大的方向进 行,直至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小。 隔离系统可能发生(不可逆)的过程就是自发过程, 隔离系统的可逆过程就是平衡,所以判断隔离系统是否 可逆,就是判断是否自发。 S(隔)≥0 >不可逆、自发 dS(隔)≥0 >不可逆、自发
B nB+nB T P2
同种气体恒温混合 ,若P1 =P1 = P2 则TS(混合)=0 若VA1=VB1=V2 则TS(混合)《0
3.不同温度的气体混合
• A nA B nB nA+nB • TA1 VA1 TB1 VB1 • • 变温混合 S S(环)=0 A、B T2 V2
2 1 T2
1
T2 P2 当CP , m为常数时 : S nCP , m ln nR ln T1 P1
2 1
还可推出当CP , m或CV , m为常数时 : V2 P2 2 1S nCP , m ln nCV , m ln V1 P1
讨论:(在CP,m或 CV,m为常数时) 恒温过程:TS=nRln(V2/V1)=nRln(P1/P2) 恒容过程: VS=nCV,mln(T2/T1)=nCV,mln(P2/P1) 恒压过程: PS=nCP,mln(T2/T1)=nCP,mln(V2/V1) 绝热可逆过程:S=0 所以绝热可逆过程的过程方程可用S=0表示。 即:S=nCV,mln(T2/T1)+nRln(V2/V1)=0

第三章 热力学第二定律ppt课件

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W1 nRT1lnVV12
Q1 W1 nR1TlnVV12
❖2 3,绝热可逆膨胀
W 2=D U 2=nC V,m?(T2 T1)
❖3 4,恒温可逆压缩 U2 = 0
W3
=
-
nRT2
lnV4 V3
Q2 =-W3=nRT2lnV V4 3
❖4 1,绝热可逆压缩
W 4=D U 4=nC V,m?(T1 T2)
.
(D) 熵与系统的微观状态数有关
6.在绝热条件下,迅速推动活塞压缩气筒内空气,此过程的熵变 (A) 大于零 (B) 小于零 (C) 等于零 (D) 无法确定 7.氢气进行不可逆循环 (A)ΔU>0 (B) ΔS=0 (C) ΔS>0 (D) ΔS<0 8.一卡诺热机在两个不同温度之间的热源之间运转, 当工作物质为气体 时, 热机效率为42%, 若改用液体工作物质, 则其效率应当 (A)减少 (B) 增加 (C) 不变 (D) 无法判断 9. 理想气体经可逆与不可逆两种绝热过程,则 (A) 可以从同一始态出发达到同一终态。 (B) 不可以达到同一终态。 (C) 不能确定以上A、B中哪一种正确。 (D) 可以达到同一终态,视绝热膨胀还是绝热压缩而定。
ò D r H m $ ( T ) = D r H m $ ( 2 9 8 .1 5 K ) +T D r C p ,m d T 2 9 8 .1 5 K
.
引言
热力学第一定律即能量转化与守恒原理 违背热力学第一定律的变化与过程一定不能发生 不违背热力学第一定律的过程是否一定发生?
例1
1 H2(g)2O2(g)H2O(l)
4mol, 750K,
150KPa
dV=0
4mol, 50KPa,

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33
Ⅱ:C(p1,V1,T1) 等容降温 D(p',V 1,T2) 等温压缩 G(p2,V2,T2)
ΔSⅡ = nCV,mln(T2/T1)+ nRln(V2/V1)
F G
Ⅲ:C(p1,V1,T1) 等容降温 F(p2,V1 ,T′) 等压降温 G(p2,V2,T2)
ΔSⅢ= nCV,mln(p2/p1)+ nCp,mln(V2/V1)
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32
§3.4 熵变的计算
不要管实际过程是否可逆,在始末态之间设计一条可逆途径。
S系ABTQr
1.单纯pVT变化熵变的计算
C(p1、V1、T1) → G(p2、V2、T2)
Ⅰ:C(p1,V1,T1) 等压降温 A (p1 ,V′,T2)
等温膨胀 G(p2,V2,T2)
ΔSⅠ = nCp,mln(T2/T1)精-选pnptRln(p2/p1)
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。
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8
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。
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9
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。即热传导的不可逆性。致冷机消耗电能
自发性、非自发性与可逆性、不可逆性的关系: 过程是否自发,取决于体系的始、终态;过程是否可逆取决
于对过程的具体安排。 不论自发还是非自发过程,一切实际过程都是不可逆的。若
施以适当的控制,在理论上都能成为可逆过程。
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7
2.热力学第二定律
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。
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the second kind):
• 设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热 机。
• 这类永动机并不违反热力学第一定律,但违反 了热力学第二定律。
2020/4/26
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热力学第二定律的实质
• 自发过程都是具有方向性的; • 若想逆向进行,必付出代价。 • 各种表述之间等价不是偶然,说明共同本质
2020/4/26
18
第三节 卡诺循环和 卡诺定理
——热机的最高理想
2
19
比较:热一律与热二律
• 热一律否定第一类永动机 • 热二律否定第二类永动机
t ≯100% ηt≠100%
热机的热效率最大能达到多少? 又与哪些因素有关?
2020/4/26
20
卡诺循环(Carnot cycle)和卡诺定理
• 由法国工程师卡诺 (S. Carnot)1824年提出。
1 TLs TH s
能质降低的过程可自发进行,反之 需一定条件——补偿过程,其总效 果是总体能质降低。
2020/4/26
8
• 自然界自发过程的方向性表现在不同 的方面
能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?
• 热力学第二定律
2020/4/26
9
第二节 热力学第二定律的 表述
2
10
• 热力学第二定律应用范围极为广泛,如: 热量传递、热功转换、化学反应、燃料燃 烧、气体扩散、分离、溶解、结晶、生物 化学、生命现象、低温物理、气象等领域。
第三章(第三节) 热力学第二定律
2
1
第一节 热力过程的 方向性
2
2
• 热力学第一定律
能量守恒与转换定律 能量之间数量的关系
• 问题:
所有满足能量守恒与转换定律 的过程是否都能自发进行?
2020/4/26
3
Q
Q' ?
• 只要Q'不 大于Q,并 不违反热力 学第一定律
2020/4/26
4
• 一刚性绝热容器,被刚性 隔板分成A、B两部分:A内
体。
• 开尔文-普朗克表述 Kelvin-Planck Statement:
• 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。
• 热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功,而 必须将某一部分传给冷源。
• 热机: • 实现热—功转换的机器
• 连续作功构成循环;有吸热,有放热。
2020/4/26
2020/4/26
a-b 定温吸热过程: qH = THΔs
b-c 绝热膨胀过程: 系统对外作功
c-d 定温放热过程: qL = TLΔs
d-a 绝热压缩过程: 外界对系统作功
22
卡诺循环热效率Carnot efficiency

对于任一热机:t
w qH
qH qL qH
1 qL qH
C1 qL qH12 Nhomakorabea开尔文-普朗克 表述
克劳修斯表述
完全等效!!! 违反一种表述,必违反另一种表述!!!
2020/4/26
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证明1:违反开氏表述导致违反克氏表述
• 假定违反开氏表述,热机A 从单热源吸热并全部作功, 热源T1失去热量:
Q1=WA
• 用热机A带动可逆制冷机B 工(作取, 绝热对源值)T1得:到热量
有气体,B内为真空。 • 抽掉隔板后,工质经自由膨 胀达到新的平衡。 • 重新将隔板插入,A+B内 的气体能否自动收缩到A内?
• UA+B=UA,不违反热力学第一定律
2020/4/26
5
重物下落,水温升高; 水温下降,重物升高? • 只要重物位能增加≤水温 下降引起的水的热力学能减 少,不违反热力学第一定律。
17
• 热力学第二定律的推论之一:
• 卡诺定理——给出热机的最高理想
• 热力学第二定律的推论之二:
• 状态参数熵——反映热力过程的方向性
• 热力学第二定律的推论之三:
• 克劳修斯不等式——反映热力过程方向性
• 热力学第二定律的推论之四:
• 孤立系熵增原理——热力学第二定律的数学表 达式
2020/4/26
Q1'= WA + Q2' Q1'-Q2'= WA = Q1
• 热源T1获得净热量:
ΔQ=Q1'-Q1 = Q2'
违反了克氏表述。
T1 热源
Q1
Q1’
A WA B
Q2’
冷源 T2 <T1
14
证明2:违反克氏表述导致违反开氏表述
• 假定违反克氏表述,Q2热 量可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:
• 热力学第二定律推论之一。
• 两个恒温热源之间的理想可逆正循环(热机循 环)——效率最高。
• 指出了影响热机循环热效率最本质的东西:
• 热机必须工作在两个热源之间,热量要从高温热源流 向低温热源才能作功。
• 热机作功的数值与什么工质无关,而仅仅决定于两个 热源之间的温度差。
2020/4/26
21
卡诺循环Carnot cycle
• 在不同的领域里有不同的表述,其表述多 达60~70种。
• 工程热力学中典型表述有两种:
• 克劳修斯表述——热量传递的角度 • 开尔文-普朗克表述——热功转换的角度
2020/4/26
11
• 克劳修斯表述 Clausius statement:
• 不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。 • 热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物
• 不需要任何外界作用而自动进行的过程。如: • 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。
2020/4/26
7
• 能量转换 方向性的实 质是能量的 品质有差异
无限可转换能—机械能,电能 部分可转换能—热能 T T0 不可转换能—环境介质的热力学能
电流通过电阻,产生热量; 对电阻加热,电阻内产生 反向电流? • 只要电能不大于加入热能, 不违反热力学第一定律。
2020/4/26
6
• 结论:
• 自发过程具有方向性、条件、限度; • 并非所有不违反热一律的过程均可自动进行。 • 自然界自发过程都具有方向性。
• 自发过程(Spontaneous process):
WA = Q1 - Q2
• 冷源无变化;
• 热源失去净热量(取绝对
值):
T1 热源
Q1
Q2
A
WA
Q2
Q2
ΔQ=Q1-Q2=WA
→全部变成功WA,违反 开氏表述。
冷源 T2 <T1
15
• 由开尔文-普朗克表述引出的热力学第二定 律的又一表述:
• 第二类永动机是不可能制造成功的。
• 第二类永动机(perpetual-motion machine of
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