4热力学第二定律解析
解释热力学第二定律
解释热力学第二定律
热力学第二定律是热力学中的一个基本定律，也被称为熵增定律。
它提供了一个描述自然界中热现象发生方向的规律。
热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述，不可能将热量从低温物体自发地传递给高温物体，而不产生其他效果。
这个表述可以解释为，热量不会自发地从冷的物体转移到热的物体，而不产生其他变化。
例如，我们无法将热量从一个冷水杯中传递到一个热水杯中，而不使用外部能量（如加热器）。
开尔文表述，不可能通过一个循环过程将热量完全转化为功而不产生其他效果。
这个表述可以解释为，不可能通过一个循环过程将热量完全转化为有用的功而不产生其他变化。
换言之，不可能将热量全部转化为有用的能量，而不产生其他形式的能量损失。
热力学第二定律的核心思想是熵的增加。
熵是描述系统无序程度的物理量，热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵总是趋向于增加，而不会减少。
换句话说，自然界中的过程总是朝着更高熵（更大的无序）的方向发展。
总结来说，热力学第二定律告诉我们，热现象具有一种不可逆性，热量不会自发地从冷物体传递到热物体，而且热量无法完全转化为有用的功而不产生其他形式的能量损失。
这个定律对于理解自然界中的热现象和能量转化过程非常重要。
高中物理 10.4热力学第二定律的微观解释
高中物理| 10.4热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的本质自然界一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
1.有序和无序有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。
有序和无序是相对的。
2.宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。
系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。
如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。
3.热力学第二定律的统计意义对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。
在热力学中，序：区分度。
热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。
下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质。
不可逆过程的统计性质——以气体自由膨胀为例一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色的气体分子。
开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。
隔板抽出后，4个气体分子在容器中可能的分布情形1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为。
此数值极小，意味着此事件永远不会发生。
一般来说，若有N个分子，则共有2N 种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
不可逆过程的本质系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程。
自发过程的规律：概率小的状态（有序）→概率大的状态（混乱）统计物理基本假定—等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。
热力学第二定律-PPT课件
答案 C
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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
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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 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。
热力学第二定律的理解与应用
热力学第二定律的理解与应用热力学第二定律是热力学基本原理之一，它描述了热能传递的不可逆性以及自然界中的一些普遍现象。
本文将深入探讨热力学第二定律的原理、应用以及它在现实生活中的意义。
一、热力学第二定律的基本原理热力学第二定律是指在孤立系统中，热量不会自发地从低温物体传递给高温物体。
这一定律可以用来解释很多自然现象，比如热流的方向、热机效率等。
根据热力学第二定律，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能反向传递。
这是因为热量传递是以熵的增加为代价的。
熵是一个描述系统混乱程度的量，它与物质的无序程度有关。
系统的熵增加意味着物质更趋向于无序状态，而热量的传递恰恰是增加了系统的熵。
二、热力学第二定律的应用热力学第二定律在工程和科学领域有着广泛的应用。
以下是其中几个重要的应用：1. 热机效率根据热力学第二定律，热机的效率受到一定的限制。
卡诺热机是满足最高效率的热机，其效率与工作温度之差有关。
利用热力学第二定律，我们可以计算出热机的最大理论效率。
2. 熵增原理熵增原理是热力学第二定律的重要推论之一。
它表明孤立系统的熵总是增加的，从而增加了系统的混乱程度。
这一原理可以应用于许多方面，比如环境保护和能源利用等。
在能源利用方面，通过最大限度地减少系统的熵增，可以提高能量利用效率。
3. 低温物体的制冷原理制冷原理是热力学第二定律的重要应用之一。
根据热力学第二定律，热量不会自发地从低温物体传递给高温物体。
这一原理被应用于制冷技术中，通过对高温物体吸热，从而使低温物体降温，实现循环制冷。
三、热力学第二定律的意义热力学第二定律是自然界存在的一个普遍规律，它对我们的生活和科学研究具有重要意义。
首先，热力学第二定律揭示了自然界的不可逆性和混乱趋势。
它帮助我们理解为什么事物在自然界中总是朝着更加无序的状态发展。
其次，热力学第二定律对于能源利用和环境保护具有指导意义。
通过最大限度地减少系统的熵增，我们可以提高能源利用效率，减少能源浪费。
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课堂 • 重难探究
－对热力学第二定律的理解
1．对热力学第二定律的理解 在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他 影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在．
(1)“ 自 发 地 ” 过 程 就 是 不 受 外 来 干 扰 进 行 的 自 然 过 程 ， 如 重 物 下 落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它不受外界干 扰．在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能 自发地从低温物体传向高温物体．要将热量从低温物体传向高温物体，必 须有“外界的影响或外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成．电 冰箱就是一例，它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处 的．
考法：①对自然过程具有方向性理解的
方向性问题(重点) 3．学会运用热力学第二定律解
考查．②对热力学第二定律的两种表述 实质及其关系的理解和考查．③考查热 力学第二定律在实际中的应用
决一些实际问题(难点)
知识ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
课前 • 自主预习
热力学第二定律的克劳修斯表述
1．热传导的方向性 (1)热量可以自发地由__高__温____物体传给__低__温____物体． (2)热量不能自发地由__低__温____物体传给__高__温____物体． (3)热传导过程是有_方__向__性___的． 2．热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能自发地从__低__温____物体传到___高__温___物体．即热传导的过 程具有__方__向__性___．
(2)热机的效率：热机输出的_机__械__功__W___与燃料燃烧产生的_热__量__Q___ W
的比值．用公式表示η＝___Q___．
2．开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量，使之__完__全__变__成__功____，而不产生其他 影响．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性) 3．热力学第二定律的理解 (1)一切宏观自然过程的进行都具有__方__向__性____． (2)气体向真空的自由膨胀是__不__可__逆____的． (3)第二类永动机是不可能制成的． (4)机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功而转化成 机械能．
热力学第二定律的微观解释
自然过程总是向着 使系统热力学几率 增大旳方向进行。
注意：微观状态数最 大旳平衡态状态是最 混乱、最无序旳状态。
一切自然过程总是 沿着无序性增大旳 方向进行。
1）合用于宏观过程对微观过程不合用， 如布朗运动。
2）孤立系统有限范围。 对整个宇宙不合用。
4.熵与熵增长原理
“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在 1850年发明旳一种术语，他用熵来表达任何一种能量 在空间分布旳均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越 大。假如对于我们所考虑旳那个系统来说，能量完全 均匀地分布，那么这个系统旳熵就到达最大值。
1．电冰箱能够不断地把热量从温度较低旳冰箱内部 传给温度较高旳外界空气，这阐明了 BD A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量能够从低温物体传给高温物 体 C．热量旳传导过程不具有方向性 D．在自发地条件下热量旳传导过程具有方向性
[精与解] 我们懂得，一切自发过程都有方向性，如热传导， 热量总是由高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密 度大旳地方向密度小旳地方扩散。假如在外界帮助下气体能够 由密度大旳地方向密度小旳地方扩散，热量能够从低温物体传 向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体─冷 冻食品传向高温物体─周围旳大气。所以，在回答热力学过程 旳方向问题时，要区别是自发过程还是非自发过程，电冰箱内 热量传递旳过程是有外界参加旳。本题答案是A错B对C错D对。
多种宏观态不是等几率旳。那种宏观态包括旳微 观态数多，这种宏观态出现旳可能性就大。
定义热力学几率：与同一宏观态相应旳微观态数称为 热力学几率。记为 。 在上例中，均匀分布这种宏观态，相应旳微观态最多， 热力学几率最大，实际观察到旳可能性或几率最大。
对于1023个分子构成旳宏观系统来说，均匀分布这种 宏观态旳热力学几率与多种可能旳宏观态旳热力学几 率旳总和相比，此比值几乎或实际上为100%。
3.4 热力学第二定律(解析版)
第4节热力学第二定律【知识梳理与方法突破】1.热力学第二定律的理解（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。
要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。
电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。
（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。
（3）热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。
如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。
（4）适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。
而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。
（5）热力学第二定律的两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。
2.热力学第一定律与第二定律的比较项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式联系两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础3.能量耗散的理解（1）各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。
热力学第二定律(4)
定义： 熵
dS
Qrev
Tr
比熵 ds
qrev
Tr
于19世纪中叶首先克劳修斯 (R.Clausius)引入，式中S从1865年起称 为entropy，由清华大学刘仙洲教授译成 为“熵”。
熵的物理意义
定义：熵
dS
Qre
T
比熵 ds
qre
T
热源温度=工质温度
可逆时
dS 0 dS 0 dS 0
自发过程的方向性
摩擦生热
功量
100% 发电厂
热量
功量
40%
热量
放热
自发过程具有方向性、条件、限度
热力学第二定律的实质
自然界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
热力学第二律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换
1851年 开尔文－普朗克表述 热功转换的角度
Q
Q
p
2 b v
热力学第二定律的数学表达式
任意不可逆循环
Q Q 1 2 可得：
T1 T2
Q2 T2 1 1 Q1 T1
式中δQ2为绝对值： p a 2 b v
δQ2改用代数值：
Q1
T1
Q2
T2
0
1
克劳修斯不等式
热力学第二定律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想 热力学第二定律推论之二 克劳修斯不等式反映过程方向性 定义熵
∴ Q1
’-
Q1 = Q2 - Q2= 0
’
工质循环、冷热源均恢复原状， 外界无痕迹，只有可逆才行， 与原假定矛盾。
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。
热力学第二定律解析热力学第二定律及其与熵的关系
热力学第二定律解析热力学第二定律及其与熵的关系热力学第二定律作为热力学基本定律之一，对于研究热力学系统的行为和性质具有重要意义。
它揭示了自然界中一种普遍存在的规律，并与熵这一热力学量密切相关。
本文将对热力学第二定律的核心内容进行解析，并探讨它与熵的关系。
一、热力学第二定律的概念与表述热力学第二定律是描述自然界中热现象发生方向性的基本定律，它有多种表述方式。
其中，开尔文表述是最常见的。
开尔文表述指出，不可能从单一热源中吸热完全转化为可做的功而不引起其他变化的过程。
这意味着热能不会自发地从低温物体传递给高温物体，而只会沿着温度梯度由高温传向低温。
二、热力学第二定律的数学描述除了开尔文表述，热力学第二定律还可以通过数学方式进行描述。
热力学第二定律可以用克劳修斯表述来表达，即热量不会自发地从低熵物体传递到高熵物体。
在这种描述中，熵是一个关键的热力学量，它代表了系统的无序程度或混乱程度。
根据克劳修斯表述，任何孤立系统的熵都不会减少，而是增加或保持不变。
这意味着自然界趋向于朝着更高的熵方向发展，即朝着更大的无序性发展。
三、熵的概念与计算方法熵是描述热力学系统无序程度的物理量，它可以用数学方法进行计算。
熵的计算方法主要有两种：统计熵和宏观熵。
统计熵是基于热力学微观模型和概率统计原理得出的熵计算方法，它涉及到粒子的状态数和相应的概率。
而宏观熵是基于宏观性质和测量结果得出的熵计算方法，它通过物态方程和其他宏观性质来计算系统的熵。
四、热力学第二定律与熵的关系热力学第二定律与熵的关系是热力学研究中的一个重要问题。
根据熵的定义和计算方法，熵的增加可以看作是系统自发朝热平衡状态发展的结果，而热力学第二定律则描述了热现象发生的方向性。
从数学上讲，熵的增加可以用热力学第二定律来解释，即熵的增加是由于热能在温度梯度下自发地从高温物体传递到低温物体，从而使得整个系统的无序程度增加。
因此，熵与热力学第二定律密切相关。
五、实例分析：热机工作过程中的熵增为了更好地理解热力学第二定律和熵的关系，我们可以以热机工作过程为例进行分析。
第四章 热力学第二定律
虽然为实现各种非自发过程补偿是必不可少 的，但是为提高能量利用的经济性，人们一 直在最大限度地减少补偿。 热力学第二定律的任务：研究热力过程的方 向性，以及由此而引出的非自发过程的补偿 和补偿限度等。 二、热力学第二定律的表述 克劳修斯的说法：不可能把热量从低温物体 传向高温物体而不引起其他变化。
⑵卡诺循环热效率永远小于1。这是因为Tl＝ ∞或T2 = 0 是不可能达到的。 ⑶当Tl= T2时，卡诺循环热效率为零，即只 有单一热源存在时，不可能将热能转变为机 械能。 二、逆卡诺循环 如果卡诺循环按逆时针方向进行，则称为卡 诺逆循环。 如下图所示。
对于制冷机的卡诺逆循环，其制冷系数用下 式表示，
同理可证 A B 也不成立，因此唯一可以
成立的结果是 A B 。
定理一得证。
例题： 1.某热力设备，工作在1650℃ 的炉膛燃气 温度和15℃的低温热源之间，求：1）该 热力设备按卡诺循环工作时的热效率以及 产生 6×105 kw时的吸热量Q1和放热量Q2 ； 2）如果热力设备的实际效率只有40% ， 其有效功率仍为6×105 kw ，问吸热量Q1 和放热量Q2又是多少？
若循环中全部过程都可逆，则该循环称为可逆循环； 若循环中部分过程或全部过程都不可逆，则该循环为 不可逆循环。 根据循环的热力学特征，可把循环分为热机循环（正 循环）和制冷循环（逆循环）。 正循环的效果是使热能转变为机械能，系统向外输出 功。如图所示，循环按顺时针方向进行，图（a）中12-3为工质膨胀，从高温热源吸收热量Q1。工质经3-41回到初态的过程中，工质受压缩，向低温热源放出热 量Q2。工质对外做功的净功为W，用循环1-2-3-4-1所 包围的面积表示，等于工质从高温热源吸取的热量与 向低温源放出的热量之差。即
四热力学第二定律
§3-5状态参数-熵
一.熵 二.产生熵变化的两个原因
一.熵（Entropy）
１定义 可逆过程中系统的熵为 ds=δq/T 或 △s=s2－s1=∫21δq/T J/kgK 不可逆过程中为 ds>δq/T 或 △s=s2－s1>∫21δq/T J/kgK
层次三 能质衰贬原理
（The Principle of Degradation of Energy）
正是由于上述过程的方向性和不可逆性说 明能量有“品位”即作功能力或转换能力 高低之分。即 从能量品位角度讲，热力学第二定律的实 质又说明“一切自发过程均朝着使能量品 位发生退化、贬值的方向进行”。 自发过程——高质能可以全部转换为低质 能，即能量的传递与转换总是自动地朝着 品位下降的方向进行。
孤立系统内部中进行不可逆过程（如不 等温传热、 不可逆绝热过程、自由膨胀、 混合、扩散、摩擦等），则孤立系统的 熵必然增加，即△Ｓiso〉０。 由于一切实际过程都是不可逆过程，因 此，孤立系统总是朝着熵增加的方向进 行，这就是自然界中有关热过程进行的 方向。自发过程都是不可逆过程，也是 朝着熵增加的方向进行。
二.产生熵变化的两个原因
系统经历一任意热力过程时，初终状态 熵的变化由熵流 Ｓf 和熵产 Ｓg 组成，即 △Ｓ＝ Ｓf＋ Ｓg。 １熵流（Entropic Flow） 熵流是由于系统和外界进行热量交换和 物质交换而引起的熵变化。 熵流可正（吸热或工质流入）、可负 （放热或工质流出）、可为零（绝热或 无工质流入流出）。
热力学第二定律熵增原理
热力学第二定律熵增原理热力学第二定律是热力学的基本原理之一，它与熵增原理密切相关。
本文将详细介绍热力学第二定律以及熵增原理的内涵和应用。
一、热力学第二定律的基本概念热力学第二定律是指在孤立系统中，不可逆过程的总体熵增，即系统的熵不会自发减少，而会增加或保持不变。
在热力学系统中，熵是描述系统混乱程度的物理量。
熵增原理则是从宏观角度上阐述了不可逆过程的本质。
不可逆过程是指无法恢复到原始状态的过程，例如热传导和滑动摩擦等。
二、熵增原理的内涵熵增原理表明，自然界中的过程都是朝着熵增的方向进行的。
这是因为熵的增加意味着系统的混乱程度增加，而自然界总是趋向于更高的混乱状态。
熵增原理与时间箭头的概念密切相关。
时间箭头指的是时间在物理过程中只能以一个方向流动的现象。
熵增原理告诉我们，时间在物理过程中只能向前流动，即过程不可逆。
三、熵增原理的应用熵增原理在热力学和其他自然科学领域有着广泛的应用。
以下几个实例将进一步阐述熵增原理的应用。
1. 热机效率：根据熵增原理，热力学中热机的最高效率是由卡诺热机给出的。
卡诺热机是一个完全可逆的热机，其效率由两个热源温度决定。
其他热机的效率都低于卡诺热机，这是因为其他热机中存在不可逆过程，导致熵增。
2. 自发性判断：根据熵增原理，一个过程只有在系统熵减，即熵增为负时，才是可逆的，也就是说，只有系统内部的微观状态可以完全回复。
如果熵增为正，则过程是不可逆的。
3. 化学反应：熵增原理在化学领域也有重要应用。
对于化学反应，熵增原理告诉我们，正向反应熵增的情况下，反应是自发进行的；反之，如果反应熵减，则需要外界施加能量才能进行。
四、熵增原理的启示熵增原理不仅在热力学和自然科学中具有重要地位，也给我们的生活带来了一些启示。
1. 环境保护：熵增原理提醒我们，自然界总是趋向于更高的混乱状态。
在现代工业社会中，人类活动不可避免地导致了环境的熵增，加剧了环境污染和资源浪费。
环境保护的理念就是尽量减少熵增，保护地球的可持续发展。
热力学第二定律4
( − d G )T , p > −δ W '
若是不可逆过程，系统所作的非膨胀功小于 小于Gibbs 若是不可逆过程，系统所作的非膨胀功小于 不可逆过程 自由能的减少值。 自由能的减少值。
如果系统在等温、等压、且不作非膨胀功的条件下， 如果系统在等温、等压、且不作非膨胀功的条件下， 等温 的条件下 (dG)T , p,W ' =0 ≤ 0 (−dG )T , p ,W ' =0 ≥ 0 或
(dG )T , p ,W ' =0 ≤ 0
" = " 表示可逆，平衡 " < " 表示不可逆，自发
即自发变化总是朝着Gibbs自由能减少的方向进行 自由能减少的方向进行, 自发变化总是朝着 自由能减少的方向进行 这就是Gibbs自由能判据，系统不可能自动发生dG>0 自由能判据，系统不可能自动发生 这就是 自由能判据 的变化。 的变化。 因为大部分实验在等温、等压条件下进行， 因为大部分实验在等温、等压条件下进行，所以这 个判据特别有用。 个判据特别有用。
600 300
T2 T1
−1
+ 19.5 × ln
)]J ⋅ K
例3. 在268.2K和100kPa压力下， 1.0mol液态苯 268.2K和100kPa压力下 1.0mol液态苯 压力下， 凝固，放热9874J，求苯凝固过程的熵变。已知， 凝固，放热9874J，求苯凝固过程的熵变。已知， 苯熔点278.7K，标准摩尔熔化热为9916J/mol， 苯熔点278.7K，标准摩尔熔化热为9916J/mol， Cp,m(l) =126.8J/K/mol, Cp,m(s) =122.6J/K/mol 。 解：过冷液体的凝固是不可逆过程，需要在相 过冷液体的凝固是不可逆过程， 同始终态间设计一个可逆过程来计算熵变。设 同始终态间设计一个可逆过程来计算熵变。 计的可逆过程为
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高温热源T1
Q放
A
Q吸 低温热源T2
传热过程 具有方向性。
气体的绝热自由膨胀：
A
气体绝热自由膨胀的过程是不可逆的。 不可逆性：自动地或不引起外界的变化。 ➢所有热现象都涉及到热功转换或热传导。
一切与热现象有关的 实际宏观过程都是不可逆的。
§4.2 不可逆性的相互依存
宏观过程不可逆性都是相互依存的，一个过程的 不可逆性消失了，其它的也就不成立了。 1. 假设：功变热的不可逆消失 热传导的不可逆消失
4/16
左4 右 0 左3 右 1 左2 右 2 左1 右 3 左0 右 4
1
1/16
1/16
0 4个粒子分布
基本假设：对孤立系统，所有微观状态出现的 可能性是相同的。
➢对应微观状态数目多的宏观状态其出现的 概率最大。
20个分子组成的系统，微观状态数为： 552075个
200000
184765 167960
20\0 18\2
150000
15\5
100000
11\9 10\10
50000 1 190 0
15504
9\11
5\15
20\0 15\5 10\10 5\15 0\20 2\18
0\20
两边分子数大致相等的状态几乎占了全部状态
➢ N很大时，平衡态出现的概率即为100％ ！
任意宏观状态对应的微观状态数目用 Ω表示
3）社会思潮与社会的稳定性，等。
§4.6 可逆过程和卡诺定律
实际热过程具有方向性或不可逆性（如功变热）
有没有可逆过程？
可逆过程： 一个过程，如果每一步都可在相反的
方向进行而不引起外界的其它任何变 化，则此过程称为可逆过程。
反之，如果用任何方法都不可能使系统和 外界完全复原，则此过程为不可逆过程。
➢过程不可逆并不是逆过程不能发生，而是说，要在 外界留下痕迹。
仍以气体自由膨胀为例说明。 先讨论只有4个分子的情况：
A
B 宏观
上看
A
B
微观上看：4个分子各不相同，每一种分布就是 1个微观状态
宏观状态左4，右0，微观状态数1
左3，右1 状态数4
左2，右2 状态数6
左0，右4，状态数1
左1，右3 状态数4
共有16种微观状态
6
概
5
率
4
6/16
3
概
概
率
率
2
4/16
§4.1 自然过程的方向
满足能量守恒的过程一定能实现吗？
功热转换过程：
？
做功
水动
升温
做功
水动
m 降温
高温热源
Q吸
A
Q放
低温热源
热不能自动转化为功；
或, 唯一效果是热全部变 成功的过程是不可能的。
功热转换过程 具有方向性。
热传导过程：
高温热源T1 Q放
Q吸 低温热源T2
热不能自动由低温物体 传到高温物体。
第四章 热力学第二定律
§4.1 自然过程的方向 §4.2 不可逆性的相互依存 §4.3 热力学第二定律及其微观意义 §4.4 热力学概率与自然过程的方向 §4.5 玻耳兹曼熵 §4.6 可逆过程 §4.7 克劳修斯熵公式 §4.8 熵增加原理
通知：本周四下午2:00~3:30 教七楼211 演示实验课
➢用任何一种与热现象有关的宏观过程都可以 表述热力学第二定律
克劳修斯 表述（1850年）：
热量不能 自动地 由低温物体传向高温物体
开尔文表述（1851年）：
唯一效果 是热全部变成功的过程是不可能的
（单热源热机 或 第二类永动机）
两种表述方式是等价的！
二、热力学第二定律的微观意义
热力学系统的宏观性质是大量分子无序运动的集体表现 例如，温度——所有分子的平均平动能。 体积——所有分子热运动可以到达的空间。
T1+△T T1+2△T T1+3△T
§4.5 玻耳兹曼熵
微观状态 Ω数目太大， 玻耳兹曼引入了熵：
玻尔兹曼熵公式 S k ln 单位: J/K
系统任一宏观状态对应一个确定的熵
熵 S 是状态函数
状态的熵值越大， 它所对应的宏观状态 越无序。 自然过程的方向总是倾向于熵值增加的方向。
熵概念 1）信息量大小与有序度； 的应用 2）经济结构（多样化模式与稳定性等）；
热二定律的微观意义 ——自然过程总是沿着 从有序到无序的方向进行。
➢功热：由分子的整体定向运动（有序），
转变为更加无序的集体热运动。
➢热传导：从两个热平衡系统的局部有序(T1、T2)
变为整体的无序（T 无法区分）
气体绝热膨胀：气体分子在空间分布上的局部有序
（较小空间），到更加无序。
✓ 热二定律的微观意义也可以表述为：
热可以全部变功 热量从低温物体自动传到高温物体
热 机 Q
热源 T0
A
T
T>T0
高温热源T Q放
Q吸 低温热源T0
2. 假设：热传导的不可逆性消失 功热转换的不可逆性消失
高温热源T1
Q1
Q2
热
机 Q2
低温热源T2
热源T1 Q1 Q2
A
A
单一热源吸热 全部做功
2. 假设：绝热自由膨胀的不可逆性消失
Ω
N～1023
n
最无序的
N/2
N n（左侧粒子数）
状态
两侧粒子数相同时，Ω 最大，称为平衡态；
微观状态数目 Ω最大的宏观状态对应的就是平衡态, 其它状态都是非平衡态。而平衡态的 Ω实际上就是全
部的微观状态数。 这就是为什么孤立系统总是从非平
衡态向平衡态过渡。 Ω 称为热力学概率
热力学概率 Ω 是分子运动无序性的一种量度
功热转换的
TT不可逆性消失TTQA TA
自动
TT
宏观过程不可逆性 都是相互依存的
§4.2 热力学第二定律及其微观意义
一、热力学第二定律的表述
与热现象有关的 宏观过程的不可逆性
等同
宏观过程的方向性
热力学第二定律： 说明自然宏观过程按一定方向进行的规律
➢各种实际的宏观热力学过程都是不可逆的 ➢宏观过程的不可逆性都是相互依存的
“一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性 增大的方向进行”
✓ 热二定律是一个统计规律，只适用于大量分子 的集体。
• 只有4个 粒子的气体自由膨胀
A
B
A
B
§4.4 热力学概率与自然过程的方向
热传导、自由膨胀的过程是有序到无序的过程
非平衡态到新的平衡态的过程
宏观量
与非平衡态、平衡态对应的微观状态是什么？
➢过程可逆并不是逆过程自动发生，而是说，其逆 过程与正过程合起来可使系统、外界完全复原。
气体膨胀和压缩
p
若外界压强总比系统大一无 限小量，可实现缓缓压缩；
反之， 若外界压强总比系统 小一 无限小量，缓缓膨胀。
无摩擦的准静态过程是可逆过程
热传递
系统T1
等温热传导，是有传热的 可逆过程之必要条件。
由可逆过程组成的 循环为可逆循环