第五章 热力学第二定律1
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− − − − − − − − − (< 0) − −(> 0) Q1 + Q2 = 2W f > 0
总效果
系统复原 恒温热源 Q1+Q2=2Wf>0
由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不产生 其它影响，外界不能复原。原过程不可逆 造成不可逆的原因：存在摩擦 无摩擦，非静态进行 正向（快提）
3.证明热力学第二定律两种表述的等效性
如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立。
如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。
4.热力学第二定律表述的多样性
凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程都可以 作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等效。 K、C为两种典型表述 历史上最早提出抓住典型过程：从热机，制冷机角度阐述。 练习：判断正误 1.热量不能从低温物体传向高温物体。× 2.热不能全部转变为功。×
注意理解：
a.热力学第一定律和第二定律是互相独立的 比较：第一类永动机 第二类永动机
η >100%
不耗能，只Βιβλιοθήκη Baidu功
η
Q1=W =100%
(Q2=0)
热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功
例：理想气体等温膨胀 △T=0 其它影响 △U=0 △V>0 Q=W 不违反热力学第二定律 关键词：无其它影响 热完全转变成功，而且系统和外界均复原是不可能的。
例：运用热力学第二定律的典型思想方法-反证法
1.证明两条绝热线不相交 设两个绝热线交于B，作一等温线 与两条绝热线构成一循环，形成 单热源热机，违反热力学第二定律。 原假设不成立，两绝热线不能相交。 2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点 设等温线与绝热线有两个交点， 则形成单热源热机，违反热力学 第二定律。
2.热力学第二定律的实质
热力学第二定律是分辨向前和向后两个时间方向的唯 一的物理学原理。 开尔文表述： 功 热转换不可逆 功 热 自发 非自发 热 功 100%转换 不能100%转换
克劳修斯表述：热传导不可逆 高温 低温 自动 非自动 低温 高温（外界做功）
揭示一切自发热力学过程的不可逆性—时间箭头 热力学第二定律的实质在于, 指出一切与热现象有 关的实际宏观过程都是不可逆过程. “时间箭头”是热力学原因？动力学原因？ 古人对时间的见解： 君不见黄河之水天上来,奔流到海不复回. 动力学原因 君不见高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪. 热力学原因 光阴似箭
二、热力学第二定律的实质
1.系统的可逆性分析 设系统经历A→B过程, 若能使系统B→A且外界复原 A→B过程为可逆过程 若无法使系统B→A 或B→A时外界不能复原
A→B过程为不可逆过程
例: 理想气体等温膨胀的可逆性分析. 1.无摩擦,准静态进行. 2.有摩擦,准静态进行. 3.无摩擦,非静态进行.
气体自由膨胀过程的不可逆行
密度不均匀
密度均匀
化学不可逆因素
力学不可逆因素
练习：下列过程的不可逆因素分别是什么？ 热传导过程 功变热过程 扩散过程 自由膨胀过程 热学不可逆因素 耗散不可逆因素 化学不可逆因素 力学不可逆因素 生命过程 出生→死亡 不计摩擦、漏气 卡诺循环是理想的可逆循环 准静态进行
Q1 = W1 < ∫
V2 V1
V2 pdV = νRT ln V1
逆向（快压）
Q2 = W2 >
∫
V2
V1
V2 pdV = νRT ln V1
总效果：Q1 + Q2 = W1 + W2 < 0 外界做功： 2 − W1 W − − 得热： 2 − Q1 Q
由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生 其它影响，即外界不能复原，原过程不可逆 造成不可逆的原因：快速进行，非静态过程
不可逆过程中至少包含四个因素之一 1.耗散不可逆因素 2.力学不可逆因素——压强差不是无穷小 3.热学不可逆因素——温度差不是无穷小 4.化学不可逆因素——化学组成差异不是无穷小 一个系统在没有外界的作用下,自发进行的过程叫自发过 程,自然界一切与热现象有关的自发过程都是不可逆的. 所谓可逆过程只是一种理想过程.
无摩擦，准静态进行
正向V1 → V2 V2 W1 = Q1 = νRT ln > 0 V1 逆向V2 → V1 V2 W1 = Q1 = νRT ln < 0 V1 总效果W1 + W2 = 0 Q1 + Q2 = 0 外界与系统均复原 原过程为可逆过程
有摩擦，准静态进行
正向V1 → V2 Q1 = W1 + W f (体积功（摩擦功） ) V2 = νRT ln + W f V1 − −(> 0) − −(> 0) 逆向V2 → V1 V1 Q2 = W + W f = νRT ln + W f V2
热力学第二定律指出了热功转换的方向性
功 热 自发 非自发 热 100%转换
不能100%转换
热力学第二定律与能源危机 热力学第一定律 能量转换并守恒，何来能源危机？ 热力学第二定律 能量做功的能力下降，能量品质下降。
2.克劳修斯表述（C）
从制冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和 限度： *热量不能自动地从低温物体传到高温物体。 或： W=0，Q2=Q1 =Q2/W=∞ 这种类型的制冷机是不可能成功的， *第二类永动机是不可能成功的
第五章 热力学第二定律与熵
热力学第一定律：一切热力学过程都应满足能量守恒
自然界一切与热现象有关的过程都具有方向性 ------------时间箭头 热力学第二定律:反映过程方向的基本规律 用否定形式表述 表述方式多样 统计意义 反证法验证
特征
1.热力学第二定律的表述及其实质
一、热力学第二定律的两种典型表述 1.开尔文表述（K） 从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和 限度； *不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而 不产生其它影响 *单热源热机是 不可能制成的 *第二类永动机（=1） 是不可能制造成功的。
注意理解：
1.热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到 高温物体 例：电冰箱 关键词：”自动“即热量从低温物体传到高温物体不能在 不产生其它影响情况下自发进行 2.热力学第二定律指出了热传导的方向性： 高温 低温
自动
低温
非自动
高温
自动 功 机械能 内能 电磁能 热
功热转换
热传导 自动 高温 低温
− − − − − − − − − (< 0) − −(> 0) Q1 + Q2 = 2W f > 0
总效果
系统复原 恒温热源 Q1+Q2=2Wf>0
由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不产生 其它影响，外界不能复原。原过程不可逆 造成不可逆的原因：存在摩擦 无摩擦，非静态进行 正向（快提）
3.证明热力学第二定律两种表述的等效性
如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立。
如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。
4.热力学第二定律表述的多样性
凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程都可以 作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等效。 K、C为两种典型表述 历史上最早提出抓住典型过程：从热机，制冷机角度阐述。 练习：判断正误 1.热量不能从低温物体传向高温物体。× 2.热不能全部转变为功。×
注意理解：
a.热力学第一定律和第二定律是互相独立的 比较：第一类永动机 第二类永动机
η >100%
不耗能，只Βιβλιοθήκη Baidu功
η
Q1=W =100%
(Q2=0)
热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功
例：理想气体等温膨胀 △T=0 其它影响 △U=0 △V>0 Q=W 不违反热力学第二定律 关键词：无其它影响 热完全转变成功，而且系统和外界均复原是不可能的。
例：运用热力学第二定律的典型思想方法-反证法
1.证明两条绝热线不相交 设两个绝热线交于B，作一等温线 与两条绝热线构成一循环，形成 单热源热机，违反热力学第二定律。 原假设不成立，两绝热线不能相交。 2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点 设等温线与绝热线有两个交点， 则形成单热源热机，违反热力学 第二定律。
2.热力学第二定律的实质
热力学第二定律是分辨向前和向后两个时间方向的唯 一的物理学原理。 开尔文表述： 功 热转换不可逆 功 热 自发 非自发 热 功 100%转换 不能100%转换
克劳修斯表述：热传导不可逆 高温 低温 自动 非自动 低温 高温（外界做功）
揭示一切自发热力学过程的不可逆性—时间箭头 热力学第二定律的实质在于, 指出一切与热现象有 关的实际宏观过程都是不可逆过程. “时间箭头”是热力学原因？动力学原因？ 古人对时间的见解： 君不见黄河之水天上来,奔流到海不复回. 动力学原因 君不见高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪. 热力学原因 光阴似箭
二、热力学第二定律的实质
1.系统的可逆性分析 设系统经历A→B过程, 若能使系统B→A且外界复原 A→B过程为可逆过程 若无法使系统B→A 或B→A时外界不能复原
A→B过程为不可逆过程
例: 理想气体等温膨胀的可逆性分析. 1.无摩擦,准静态进行. 2.有摩擦,准静态进行. 3.无摩擦,非静态进行.
气体自由膨胀过程的不可逆行
密度不均匀
密度均匀
化学不可逆因素
力学不可逆因素
练习：下列过程的不可逆因素分别是什么？ 热传导过程 功变热过程 扩散过程 自由膨胀过程 热学不可逆因素 耗散不可逆因素 化学不可逆因素 力学不可逆因素 生命过程 出生→死亡 不计摩擦、漏气 卡诺循环是理想的可逆循环 准静态进行
Q1 = W1 < ∫
V2 V1
V2 pdV = νRT ln V1
逆向（快压）
Q2 = W2 >
∫
V2
V1
V2 pdV = νRT ln V1
总效果：Q1 + Q2 = W1 + W2 < 0 外界做功： 2 − W1 W − − 得热： 2 − Q1 Q
由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不产生 其它影响，即外界不能复原，原过程不可逆 造成不可逆的原因：快速进行，非静态过程
不可逆过程中至少包含四个因素之一 1.耗散不可逆因素 2.力学不可逆因素——压强差不是无穷小 3.热学不可逆因素——温度差不是无穷小 4.化学不可逆因素——化学组成差异不是无穷小 一个系统在没有外界的作用下,自发进行的过程叫自发过 程,自然界一切与热现象有关的自发过程都是不可逆的. 所谓可逆过程只是一种理想过程.
无摩擦，准静态进行
正向V1 → V2 V2 W1 = Q1 = νRT ln > 0 V1 逆向V2 → V1 V2 W1 = Q1 = νRT ln < 0 V1 总效果W1 + W2 = 0 Q1 + Q2 = 0 外界与系统均复原 原过程为可逆过程
有摩擦，准静态进行
正向V1 → V2 Q1 = W1 + W f (体积功（摩擦功） ) V2 = νRT ln + W f V1 − −(> 0) − −(> 0) 逆向V2 → V1 V1 Q2 = W + W f = νRT ln + W f V2
热力学第二定律指出了热功转换的方向性
功 热 自发 非自发 热 100%转换
不能100%转换
热力学第二定律与能源危机 热力学第一定律 能量转换并守恒，何来能源危机？ 热力学第二定律 能量做功的能力下降，能量品质下降。
2.克劳修斯表述（C）
从制冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和 限度： *热量不能自动地从低温物体传到高温物体。 或： W=0，Q2=Q1 =Q2/W=∞ 这种类型的制冷机是不可能成功的， *第二类永动机是不可能成功的
第五章 热力学第二定律与熵
热力学第一定律：一切热力学过程都应满足能量守恒
自然界一切与热现象有关的过程都具有方向性 ------------时间箭头 热力学第二定律:反映过程方向的基本规律 用否定形式表述 表述方式多样 统计意义 反证法验证
特征
1.热力学第二定律的表述及其实质
一、热力学第二定律的两种典型表述 1.开尔文表述（K） 从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和 限度； *不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而 不产生其它影响 *单热源热机是 不可能制成的 *第二类永动机（=1） 是不可能制造成功的。
注意理解：
1.热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到 高温物体 例：电冰箱 关键词：”自动“即热量从低温物体传到高温物体不能在 不产生其它影响情况下自发进行 2.热力学第二定律指出了热传导的方向性： 高温 低温
自动
低温
非自动
高温
自动 功 机械能 内能 电磁能 热
功热转换
热传导 自动 高温 低温