热力学第二定律的表述 卡诺定理

可逆
2014年5月24日星期六
T2 1 T1
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大学物理
§13-6
热力学第二定律的表述
卡诺定理
(2)在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的
一切不可逆热机，其效率不可能大于(实际上是小
于)可逆热机的效率。
T2 1 T1
3.卡诺定理的意义 (1)给出了热机效率的极限；
(2)指出提高热机效率的途径：
(2)气体的可逆膨胀和压缩
只有当外界压强总比系统大一无限小量—缓缓压缩时； 或当外界压强总比系统小一无限小量—缓缓膨胀时， 才是可逆过程。
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(3)摩擦生热
通过摩擦, 功变为热量的过程是不可逆过程。根据热力
学第二定律，热量不可能通过循环过程全部变为功，因 此通过摩擦转换为热量的过程就是不可逆过程。
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卡诺定理
6.热力学第二定律的适用范围
少数粒子组成的系统不适用。只适用与封闭的系统，
不适用与开放的宇宙。
7.热力学第三定律：（ third law of thermodynamics） （能斯脱定理）当温度近于绝对零度时，一个化学均 匀的系统的熵趋于一个极限值，这个极限值可以取作 零，而与系统的其他状态参量如压强、密度等无关。
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卡诺定理
三、卡诺定理（Carnot’s theorem）
1.可逆机
由可逆循环组成的热机称可逆机。卡诺循环中的每个
过程都是平衡过程，卡诺循环是理想的可逆循环。 2.卡诺定理 (1)在相同的高温(温度为T1)和低温(T2)的热源之间工 作的一切可逆机，其效率相等，且与工作物质无关。
(4)气体的绝热自由膨胀
气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。如果将
气体等温的再压回到A室，使气体回到初始状态，必须对 气体作功，所作的功转化为气体向外界传出的热量，根 据热力学第二定律无法通过循环过程再将这些热量完全 转化为功。所以，气体对真空的自由膨胀过程是不可逆 过程。
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4.热力学第二定律的两种表述又可简述为 (1)开尔文表述 ： 第二类永动机不可能制成。 (2)克劳修斯表述：理想制冷机不可能制成。
从单一热源吸热，并将其全部转变为功的热机，叫第 二类永动机（效率为 100%）。虽不违反热力学第一定律， 但实践证明第二类永动机也是不可能制成的。否则只要 把海水冷却1K,就会给出1021KJ的热量, 相当于1014T煤完 全燃烧所提供的热量。 能够不需要外界作功而把热量从低温物体传向高温物 体的装置，称为理想制冷机。
①过程—尽可能接近可逆机；
②热源—尽可能提高热源的温度差(T2有限，提高T1)
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3.自发过程
(1)自发过程：自然界中不受外界影响而能够自动发 生的过程称自发过程。自发过程是孤立系统内发 生的与热现象有关的实际过程 (2)自发过程的共同特征
①系统中原来存在着某中不平衡因素。
例如：气体的自由扩散——密度或压强不平 衡。热传导——温度不平衡。 ②自发过程中存在摩擦等耗散因素。 例如：功转换为热——摩擦阻力等耗散因素。
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§13-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
热力学第二定律的表述 卡诺定理
§13-6
一、热力学第二定律常见的两种表述
1.自然过程的方向 ①功热转换 通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的；或热不 能自动转化为功；或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。 ②热传导 热量由高温物体传向低温物 体的过程是不可逆的；或热 量不能自动地由低温物体传 向高温物体。
—— 用任何方法都不能使系统达到绝对零度。
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二、可逆与不可逆过程
1.可逆过程 (reversible process) 设有一个过程，使物体从状态A变化到状态B，对它来
说，如果存在另一个过程，它不仅使物体进行反向变 化，从状态B恢复到状态A，而且，周围一切也都各自 回复原状，则状态A→B的过程是可逆过程。反之, 如 果用任何方法都不能使物体和外界恢复到原来的状态， 这样的过程称不可逆过程。
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第五版
13-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
永 动 机 的 设 想 图
第十三章 热力学基
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5.两种表述的等效性 如果开尔文表述成立，则克劳修斯表述也成立，反 之亦然。 (1)反证法，如果开尔文表述不成立，那么克劳修斯 表述也不能成立。假设，热量(Q1)可以全部转变 成有用功(A)，则热量(Q2)却自动的从低温热源 传向高温热源。
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(3) 自发过程进行的方向 自发过程的方向总是由不平衡趋向平衡。 热力学第二定律的实质是揭示了自然界中一切自发过 程都是单方向进行的不可逆过程。
例如：热传导、功热转换、气体自由膨胀、燃烧过程、
扩散过程、生命过程等都是不可逆过程。
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(2)如果克劳修斯表述不成立，开尔文表述也不成立。
假设，热量(Q2)可以自动从低温(T2)物体传向高温
(T1)物体，这将导致热可以全部用来对外界作功
(A=Q1-Q2)。
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2.可逆过程是一种理想的过程
只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。通常准静态过 程总是指可逆过程。(为了理论上分析实际过程的规律， 引入理想化的概念)。实际上，不可逆过程是普遍存在 的。自然界的一切自发过程，都是不可逆过程。
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③气体的绝热自由膨胀
气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。
气体
真空
气体
④一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 自然界与热现象有关的所有实际宏观自发过程都具有 方向性。
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4.可逆过程与不可逆过程举例 (1)单摆、弹簧谐振子
如果单摆不受空气的阻力和其他摩擦力的作用，则单 摆的摆动是一可逆过程。 弹簧谐振子不考虑摩擦等阻力，其振动也是可逆过程。 由此可见，单纯的、无机械能耗散的机械运动过程是 可逆过程。
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2.热力学第二定律的开尔文表述(1851年) 不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取 热量，使之全部变为有用的功，而其它物体不发生任 何变化。 在不引起其他变化的条件下，把吸收的热全部转换成 机械功是不可能的，但是，相反的过程却完全可能发 生，如摩擦生热现象。热与功的转换过程具有方向 性，是不可逆的。 3.热力学第二定律的克劳修斯表述(1850年) 热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。 热传导过程具有方向性，也是不可逆的。