第3章 热力学第二定律(课堂PPT)
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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
WA = Q1 - Q2
• 冷源无变化;
• 热源失去净热量（取绝对
值）：
T1 热源
Leabharlann Baidu
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
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）：
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
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
• 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
12
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
13
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
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：
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。
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
16
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
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
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
C
1 qL qH
• 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
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。
2
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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
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Q
Q' ?
• 只要Q'不 大于Q，并 不违反热力 学第一定律
2020/4/26
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• 一刚性绝热容器，被刚性 隔板分成A、B两部分：A内
WA = Q1 - Q2
• 冷源无变化;
• 热源失去净热量（取绝对
值）：
T1 热源
Leabharlann Baidu
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
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）：
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
18
第三节 卡诺循环和 卡诺定理
——热机的最高理想
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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
• 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
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• 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
12
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
13
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
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：
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
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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。
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
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
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
C
1 qL qH
• 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
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。