5.1热力学第二定律的表述及实质
§5.1.1热力学第二定律的两种表述及其等效性
反证法证明两种表述的等效性
• 前面在热力学第一定律中讲到功和热量的区别和联 系,它们的区别和联系分别是什么?
• 热力学第二定律在讲到功和热量时要揭示另一本质 区别。
这一区别由热力学第二定律的开尔文表述来说明。 功能够自发地、无条件地全部转化为热；
但热转化为功是有条件的，而且其转化效率有所限制, • 也就是说功自发地转化为热这一过程只能单向进行
而不可逆转，因而是不可逆的。 开尔文(即W·汤姆逊)把这一普遍规律总结为：
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，使之完全变为
有用功而不产生其他影响。
需要指出，开尔文表述中提到的“单一热源”指温 度处处相同恒定不变的热源。
“其他影响”指除了“由单一热源吸收热量全部转化 为功”以外的任何其他变化。
§5.1 热力学第二定律的表述及其实质
§5.1.1热力学第二定律两种表述及等效性
• 热力学第二定律的表述方法可以有很多种,这不同于别 的定律.现在主要介绍两种重要表述。
• (一)热力学第二定律的开尔文表述 • 蒸汽机大量推广应用后，不少人试图设计制造各
种不需能源的热机，称为第二类永动机， • 例如轮船在海上航行不需能源,只需要从海水中吸收热
是“从单一热源吸热全部转化为功”以外的其它影 响。
(二)热力学第二定律的克劳修斯表述
• 开尔文表述揭示了自然界普遍存在的功转化为热的
不可逆性。 • 此外，自然界还存在热量传递的不可逆性。 • 热量总是自发地从高温物体传递到低温物体。 • 克劳修斯于1850年将这一规律总结为:
热力学第二定律的克劳修斯表述： 不可能把热量从低温物体传到高温物体而
量把它全部转变为功,这不违背热力学第一定律。 • 这是否可能?
第五章 热力循环——热力学第二定律
dSsys
QR
T
由于传热δQR而引 起体系熵的变化
我们称
QR
T
为随
QR热流产生的熵流。
熵流定义：dS f δQR /T
功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。
(2) 熵产dSg
dSsys≥δQ/T
Δ等S式g>0dS，sys 不 可QT R 逆 dS过g 积程分
Ssys
Q 0
Q
T
S g
dS g ——熵产生Δ，Sg由=0于，过可程的逆不过可程逆性引起的熵变。
普：对物质没限制，适用于任一物质
5.4 水蒸气动力循环
1. 卡诺循环
T (R)
WS (R) QH
QH QL QH
1 QL QH
以水蒸气为工质的卡诺循环示意图：
2
T
1 TL TH
QH 锅
透 WS ,Tur
TH 1
2
平
炉
W S ,Pump
3
冷凝器 QL
TL
4
3
1 水泵
4
6
5S
图1 卡简诺单的循蒸环汽动各力步装骤置的能量图平2 衡T—和S图熵上平的卡衡诺式循环
过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远
不会小于零。 ΔSg<0，不可能过程
5.2 熵
2. 熵平衡式
熵流 S f (Q T )
物流入
mi si
i
in
敞开体系
S g SA
物流出
m jsj
j
out
W
敞开系统熵平衡示意图
熵平衡的一般关系式：熵流+熵入+熵产-熵出=熵积累
dSopsys dt
5.1热力学第二定律的表述及实质
2) ―其他物体不产生任何变化”是指除了“从单一热源吸
收热量以及对外作功”以外的任何变化。 等温膨胀违背吗？
虽是从单一热源吸收热量全部
对外作功，但体积膨胀了。
不违背热二律！ 3) 热二律指出了效率100%的热) 热二律指出了效率100%的热机制造不出来。 如果能从单一热源吸收热量对外作功而不产生其它影响， 则：
密度大
W2 p2 p2V–p1V>0
W1
|W1|<|W2|，
当活塞无摩擦地、非常缓慢地拉动时，内外作功的和为零。 可视为可逆过程。
结论：1）一切自发过程都是不可逆过程。 2）只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。 正过程+逆过程=0 A 即对外影响全抵消 B V 可逆过程是理想化的过程。
p
在AB的过程中：
热机 机 等效于
Q2
低温热源(T2)
高温热源(T1) 等效于 Q1 W 热机 Q2 Q2 低温热源(T2)
低温热源(T2)
高温热源(T1) Q1–Q2 W
热机
违背Clausius 表述,也违背Kelvin表述。
由两种表述的等价 性可知：由一种自发 过程的不可逆性可以 导出另一种自发过程 的不可逆性。 可以证明各种自发 过程的不可逆性是相 互关联的。
热功转换的方向性
无条件 热传递的 Q 方向性
低温热源(T2)
热力学过程在遵守热一律的同时还受方向性的限制。 热力学第一、二定律是相辅相成的
*任何不可逆过程的出现，总伴随有“可用能量”被贬值为“不
可用能量”的现象发生。 在能量利用 的过程中，应特别注意消除各种引起“自发的发生”的不可逆 因素，以增加可用能的比率，从而提高效率。 3．热力学第二、零定律间的关系 第零定律(热平衡定律)：任意两个物体进行热接触最终温度相同. 只能说明温度相同是达到热平衡的诸物体所具有的共同性质 无法判别尚未到达热平衡的两个物体温度的高低。 第二定律：从热量自发流向判别出物体温度的高低。与第零定律 是相互独立的。
热力学第二定律的文字表述
热力学第二定律的文字表述热力学第二定律是热力学中的重要定律之一，也被称为熵增定律。
它指出，孤立系统的熵在一个不可逆过程中总是增加的。
简单来说，熵是系统的混乱程度，而熵增则代表着系统趋向于更加混乱的过程。
这个定律在我们生活中的许多方面都有体现。
我们可以把热力学第二定律比作人类社会中的一种普遍规律。
无论是个体还是整个社会，都会不断地朝着更加混乱的方向发展。
就像一个房间，如果不进行清洁和整理，它会逐渐变得越来越凌乱。
而要使房间变得整洁，需要付出一定的努力和能量。
同样地，在自然界中，我们也可以观察到热力学第二定律的影响。
例如，热气会从热的物体传递到冷的物体，而不会反过来。
这就是因为热气自发地朝着更加混乱的状态发展，而不会自发地变得更加有序。
这也是为什么热量在传递的过程中会产生一些不可逆的损耗。
在能源转换中，热力学第二定律也起着重要的作用。
例如，汽车引擎将燃料中的化学能转化为机械能，但同时也会产生大量的热能，这些热能最终会散失到周围环境中。
这就是热力学第二定律的体现，能量的转化总是伴随着一定的能量损失和熵的增加。
热力学第二定律的应用也可以在环境保护中找到。
我们知道，地球的资源是有限的，而人类的活动不可避免地会产生大量的废物和污染物。
这些废物和污染物会导致环境的熵增加，使得环境变得更加混乱和不可逆转。
因此，为了保护环境，我们需要采取措施减少废物和污染物的产生，从而减缓熵的增加过程。
总的来说，热力学第二定律告诉我们，自然界和人类社会都朝着更加混乱的方向发展。
这个定律提醒我们要珍惜有序和整洁的状态，同时也提醒我们要采取措施减缓熵的增加。
只有这样，我们才能在有限的资源和环境条件下实现可持续发展。
第五章热力学第二定律2012
3、系统熵变只取决于始态和末态
4、熵值具有可加性
42
注意
若变化路径是不可逆，上式不能成立； 熵是态函数，若把某一初态定为参考态，则：
dQ S S0 T
上式只能计算熵的变化，它无法说明熵的微观意义， 这也是热力学的局限性； 熵的概念比较抽象，但它具有更普遍意义。
dQ T
2 1 ( c2 )
dQ T
b
此式表明，对于一个可逆过程 a 系统的始末状态，而与过程无关。
dQ T
只决定于
41
引入新的态函数—克劳修斯熵，用S表示
dQ可 逆 S B S A dS A A T
B B
单位：J.K-1
dQ可 逆 微小过程 dS T
说明 1、熵是热力学系统的态函数
球内气体的温度变了 例：在P=1.0atm，T=273.15K条件下，冰的融解热为 h=334(kJ.kg-1)，试求:1kg冰融成水的熵变。 解：设想系统与273.15K的恒温热源相接触而进行
等温可逆吸热过程
S 2 S1
2
1
dQ Q Mh 1 334 1.22( kJ K 1 ) 273.15 T T T 53
S热源
Q T
S工质 0
S S热源 S工质
Q 0 T
不符合熵增原理，所以原假设不成立。 即不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功 而不产生其它影响。
例：一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水中浸泡， 它重新鼓起来，是否是一个“从单一热源吸热的系统 对外做功的过程”，这违反热力学第二定律吗？
1
§5.1 第二定律的表述及其实质
引言
第五章 热力学第二定律1
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。×
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
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。
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1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。
热力学第二定律的表达及其实质
第五章热力学第二定律与熵§5.1 热力学第二定律的表达及其实质一．热力学第二定律的两种表达及其效性1.自然现象的不可逆过程（建立热二定律的必要性）落叶永离，覆水难收。
欲死灰之复然，艰乎之力；愿破镜之重圆，冀也无端。
人生易老，返老还童只意幻想；生米作成熟饭，无可挽回。
大量成语表明，自然现象，历史人文，大多是不可逆的。
自然界的过程是有方向性的，沿某些方向可以自发地进行，反过来则不能，虽然两者都不违反能量守恒定律。
因此有必要在热力学第一定律之外建立另一条独立的定律，来概括自然界的这种规律，这就是热力学第二定律。
2.热力学第二定律的开尔文表达开尔文在总结如何提高热机效率的过程中发现：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其它影响。
（又等效表述为：第二类永动机是不可能实现的）说明：①这里的“单一热源”指温度处处相同且恒定不变的热源；②“其它影响”指除了“内单一热源吸收热量全部转化为功”以外的任何其它变化。
③功变热的过程是不可逆的。
3.热力学第二定律的克劳修斯表达克劳修斯在概括总结如何提高制冷机制冷系数过程中发现：“热量不可能自发地从低温物体传到高温物体”，由此发现：热传递过程也是不可逆的。
4.两种表达的等效性下面用反证法证明这两种表达的等价性。
如图5.1所示的示意图。
反正Ⅰ：若开氏表达不真，则克氏表达也不真。
如图5.1（a）所示。
反正Ⅱ：若克氏表达不真，则开氏表达也不真。
如图5.1（b）所示。
这样就证明了开氏表达与克氏表达的等价性。
二．利用四种不可逆因素判别可逆与不可逆1.四种不可逆因素：①耗散不可逆因素；②力学不可逆因素；③热力学不可逆因素；④化学不可逆因素。
2.可逆与不可逆的判别法则：只有无耗散的准静态过程才是可逆过程，而准静态过程必须同时满足力学热学化学平衡条件的过程才是准静态过程。
因此，一个过程必须同时不包括任何不可逆因素的过程才是可逆的。
而任何一个不可逆过程中必包含有四个不可逆因素中的某一个或某几个。
第5章 热力学第二定律
第5章热力学第二定律热力学第一定律揭示了这样一个自然规律：热力过程中参与转换与传递的能量在数量上是守恒的。
但是并没有说明是否符合能量守恒定律的过程都能够实现。
实践经验告诉我们，自然过程进行都是具有方向性的。
热力学第二定律就是揭示热力过程方向、条件与限度的定律。
只有同时满足一二定律的过程才能够实现。
5．1 热力学第二定律的实质与表述5.1.1 自然过程的方向性一、磨擦过程功可以自发转为热，但热不能自发转为功。
例如钻木取火。
在刚性绝热密闭容器中带有搅拌器，靠重物下降带动搅拌，摩擦工质生热，气体温度升高，这个过程可以自发进行，但是反方向让气体把热量放出来拉动重物上升却无法自发进行。
二、传热过程热量只能自发从高温传向低温，温差越大，传热越多，反之却无法自发进行，制冷热泵过程的发生都不是自发进行的。
三、自由膨胀过程绝热自由膨胀为无阻膨胀，但压缩过程却不能自发进行。
四、混合过程两种气体或者液体混合是常见的自发过程，混合后再分开就无法自发进行。
五、燃烧过程燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等)，只要达到燃烧条件即可自发进行，而燃烧产物越无法不花代价就还原为燃料。
结论:自然的过程是具有方向性的，是不可逆的。
如果要逆向进行，就必须付出某种代价或者具有补充条件。
5.1.2 热力学第二定律的实质人们通过长期的实践发现自然过程进行的方向性，这些经验被总结为热力学第二定律，方向性是根本的内容。
在这里要注意，热力学第一、第二定律都是根据实践经验得来的，与所有经验型定律一样，不能被证明，只能验证。
热力学第二定律涉及范围非常广泛，如热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体的扩散混合、辐射、生物化学、低温物理、信息理论、气象学等，都需要用到它来判断过程进行的方向性、发生条件和进行深度，因此在应用到哪个领域的时候都有适应于该领域的表述方法。
不同角度的叙述方式描述的本质都是相同的。
下面介绍两种应用最广的叙述方式：1、克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。
热力学第二定律
冷热源: 容量无限大，取、放热其温度不变
9
第二类永动机是不可能制造成功的
第二类永动机：从单一热源取热并使 之完全变为有用功的热机。
并不违反 热力学第
一 定律
但违反了热 力学第二定律
环境是个大热源
10
2、克劳修斯表述
1-2:定温吸热过程，
q1 = T1(s2-s1)
2-3:定熵膨胀过程，
对外作功
3-4:定温放热过程，
q2 = T2(s2-s1)
4-1:定熵压缩过程， 对内作功
卡诺循环示意图 18
卡诺循环热机效率
卡诺循环热机效率
T1 q1
Rc w q2
T2
19
卡诺循环热机效率的说明
• t,c只取决于恒温热源T1和T2
例2．热传导的方向性
热量可以自动地从高温物体传
向低温物体,但相反的过程却不能
发生.
4
例3. 气体自由膨胀的方向性
位置较有序
位置更无序
•气体自动膨胀是可以进行的,但自动收缩的过程是 不可能的.
•实际上,“一切与热现象有关的自然过程（不受外界 干预的过程，例如孤立系统内部的过程）都是不可 逆的，都存在一定的方向性----存在着时间箭头”.
而与工质的性质无关；
• T1
t,c
, T2
c
，温
• 差t越,c<大0,，若t,tc,越c =高1,则 T1 = 或 T2 = 0 K,
不可能
•
当T1=T2，
t,c
=
0,
单热源热机不可能 20
二、逆卡诺循环
T T0
热力学第二定律的表述 卡诺定理
2020年4月17日星期五
理学院 物理系
大学物理
§13-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
(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。
2020年4月17日星期五
理学院 物理系
大学物理
§13-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
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
可逆过程。
(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。
2020年4月17日星期五
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大学物理
§13-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
(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。
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。
2020年4月17日星期五
理学院 物理系
大学物理
§13-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
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。
热力学第二定律
定理定律
01 定律表述
03 定律质疑
目录
02 定律解释
热力学第二定律（second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，克劳修斯表述为：热量不能 自发地从低温物体转移到高温物体。开尔文表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其 他影响。熵增原理：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即 “熵”）不会减小。
也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵总是增加的。这个规 律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演 变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。
第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件： 1．该系统是线性的； 2．该系统全部是各向同性的。 另外有部分推论：比如热辐射：恒温黑体腔内任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性 质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。
主词条：热寂论
热寂热寂论是把热力学第二定律推广到整个宇宙的一种理论。宇宙的能量保持不变，宇宙的熵将趋于极大值， 伴随着这一进程，宇宙进一步变化的能力越来越小，一切机械的、物理的、化学的、生命的等多种多样的运动逐 渐全部转化为热运动，最终达到处处温度相等的热平衡状态，这时一切变化都不会发生，宇宙处于死寂的永恒状 态。宇宙热寂说仅仅是一种可能的猜想。
第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用， 由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人 们就用状态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明:
热力学第二定律的通俗解释
热力学第二定律的通俗解释
热力学第二定律的通俗解释是：热量不会自发地从低温物体传递到高温物体，而是会自发地从高温物体传递到低温物体。
热力学第二定律也可以表述为：在任何热力学过程中，总是存在一个物理量，即热力学熵，随时间不断增加，除非输入能量来降低熵。
热力学熵描述了系统的无序程度，包括温度、压力、体积、物质等物理性质。
熵的增加代表了系统不可逆的趋势，热能总是从高温度向低温度流动，而不会相反。
热力学第二定律是物理学的重要定律，性质类似于牛顿第二定律和能量守恒定律。
它指导了许多工程和自然科学领域的应用，例如热工学、热电力学和化学反应动力学等。
热力学第二定律
第3节 卡诺循环与卡诺定理
1、 卡诺循环
– 它是工作在高温热源T1和低温热 源T2之间的一个可逆循环。由两 个定温过程和两个定熵过程组成。
其热效率： t ,c
1 q2 q1
1 T2 T1
T1 T2 T1
– 由上式可知：
–1）卡诺循环的热效率的大小只决定于热源温度T1 及冷源温度T2。 –2）卡诺循环热效率总是小于1。只有当T1=或 T2=0时，热效率才可能等于1。
3、 热力学第二定律的其他说法
1.在广义坐标不变的情况下（比如容积不变），绝热 系统内能不可能减少。
2.在系统的任何一个状态附近，总存在一些不能依靠 绝热过程达到的状态。
3.凡自发过程，其结果必使能量品质下降，可用能减 少。
4.自发过程是不可逆的。
4、 热力学第二定律各种说法的一致性
由反证法证明两种经典说法的一致性： 若开—普说法不成立，则克氏说法也不成立；若克 氏说法不成立，则开—普说法也不成立。
第5章 热力学第二定律
热力学第一律说明能量量的守恒性， 热力学第二定律则是说明能量质的不守
恒性。
第1节 第二定律的实质及表述
1、 过程的方向性与不可逆性
l凡是牵涉到热现象的一切过程，都有一定的方向性 与不能逆性。如：传热、摩擦、扩散、混合、燃烧 等等。
l系统总是从不平衡态向平衡态的方向进行。
第1节 热力学第二定律的实质 及表述
4、 热力学第二定律各种说法的一致性
第2节 熵和热力学温度
1、 绝热系统中不可逆原理 的表现
上图为一绝热系统，内能的增加
只能依靠作功（轴功和膨胀功）。 1-2为可逆绝热线。
U2
2’
绝热系统经过一个可逆过程后，
第五章 热力学第二定律
16
5-3 状态参数熵及熵方程
三. 熵变的计算
1) 理想气体的熵变：已知初终态参数时，常采用第四章的 公式计算。 如：ds c p dT R dp
T p
2) 已知热量时：
δq ds T
注意：T是计算对象的温度，以 它为主体确定热量正负
δQ dT 固体和液体的熵变：dS mc S T T
q
Tr
1 A2 T r
q
克劳休斯积分等式
1B 2 T r
的积分与路径无关，仅 与初、终态有关 必定是某个状态参数的 全微分
q
Tr
ds dS
qrev
Tr
qrev
T
熵
Qrev
Tr
Q熵方程
注意：熵的定义式仅适用于可逆过程！ 物理意义：可逆过程中，熵变表征了工质与外界热 交换的方向与大小。 思考：熵的定义式 ds δqrev 由可逆过程导出，仅适用
1a 2 T r
q
2b1 T r
0
q
1a 2 T r
s2 s1
如1-a-2可逆，则：
1a 2 T r
q
综上：s2 s1 q ds q
Tr
热力过程的热力学第二定律表达式，利 用该式判断过程是否可行、是否可逆！ 判断：熵增大的过程必为吸热过程；熵减小的过程必为放热过程； 熵不变的过程必为可逆绝热过程。 思考：不可逆过程中系统对外作功10kJ、放热5kJ，则熵变的正负？
二、逆卡诺循环
1. 过程：卡诺循环逆向进行
2. 经济性指标：
制冷系数： 1,c 供热系数： 2,c
小结： a. 逆向卡诺循环的经济指标仅取决于两热源温度，且随T1 的降低或 T2 的升高而升高； b. 逆卡诺循环的供热系数总大于1，而制冷系数理论上可>、=或<1， 但由于(T1－T2)总小于T2，因此也大于1。
热力学第二定律的表述和绝对熵的定义
热力学第二定律的表述和绝对熵的定义1. 热力学第二定律的表述：1. 热力学第二定律的表述：热力学第二定律指出，任何自发的物理或化学过程都伴随着热力学熵的增加，即热力学熵增加的总量大于等于零。
因此，在任何自发的物理或化学过程中，热力学熵总是增加，而不会减少。
2. 绝对熵的定义。
绝对熵是指热力学系统的熵，它是热力学系统的一种定量描述，它表示热力学系统的混乱程度。
绝对熵的定义是：绝对熵是一个热力学系统的熵，它可以用来表示热力学系统的混乱程度，它是热力学系统的一种定量描述。
绝对熵的定义是：绝对熵是指热力学系统的熵，它可以用来表示热力学系统的混乱程度，它是热力学系统的一种定量描述。
绝对熵的定义是：它是一个热力学系统的熵，它可以用来表示热力学系统的混乱程度，它是热力学系统的一种定量描述。
绝对熵的定义是：它是一个热力学系统的熵，它是用来表示热力学系统的混乱程度，它是热力学系统的一种定量描述，它是由热力学系统的熵来表示的。
3. 热力学第二定律与绝对熵的关系热力学第二定律表述了热力学系统的可能性，它指出，热力学系统在任何过程中，总的熵增加量不可能是负的。
绝对熵是一个物理量，它表示热力学系统的不可能性。
绝对熵的定义是，它是热力学系统中的熵的最大值，它是某一特定温度下，热力学系统的熵的最大值。
因此，热力学第二定律与绝对熵的关系是，热力学第二定律指出，热力学系统的总熵增加量不可能是负的，而绝对熵是热力学系统中熵的最大值，因此，热力学系统的总熵增加量不可能超过绝对熵。
4. 热力学第二定律的应用热力学第二定律表明，系统在完成任何机械工作（包括热力学过程）时，其熵总是增加。
熵是一个物理量，它衡量系统的无序程度，绝对熵是指系统的最大可能熵。
热力学第二定律的应用可以概括为以下几点：1. 热力学第二定律可以用来解释热量传递的机理，即热量总是从温度较高的物体向温度较低的物体流动，而不会反向流动。
2. 热力学第二定律可以用来解释热机的工作原理，即热机可以将热能转换为机械能。
热力学第二定律的实质和表述
热力学第二定律的实质和表述可以总结如下：首先，热力学第二定律的实质可以表述为：在一个封闭系统内，能量的转化和传递过程具有方向性，也就是说，能量总是从高温物体流向低温物体，或者从有序走向无序。
这意味着，在自然状态下，某些类型的能量转化和传递过程无法逆向进行。
具体来说，这个定律有以下三个表述：1. 机械能不可能全部转化为内能，而内能也不可能全部转化为机械能，同时又不引起其他变化。
这意味着你不能将一个机器的机械能完全转化为内能，并将内能再转化回机械能而无需任何外部影响。
2. 自然界的一切物质都具有"热容量"和"熵"两个重要的概念。
物质的熵不能全变为有用的功，这个定律阐述了不可逆过程的热力学的方向性。
举个例子，你不能把冰块完全融化成开水，这一过程需要一个"逆过程"，也就是有一个热源来提供能量。
这个热源是谁提供的呢？答案是未知的，因为这会引入外部影响。
3. 热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。
这个定律表明了热量的转移方向是受到自然规律的制约的。
你不能用任何机器来违反这个规律，也就是说，你不能通过机器自发地从低温物体获得热量，因为这是违反自然的规律的。
另外，还有一个克劳修斯表述（也称为熵增加原理）：在封闭系统中，熵（一个表示系统无序度的量）不会自发地减少。
这意味着在一个封闭系统中，能量转化和传递的过程总是倾向于导致系统的无序度增加。
这个表述强调了热力学第二定律的本质特征，即能量的转化和传递过程具有方向性。
综上所述，热力学第二定律告诉我们，在一个封闭系统中，能量的转化和传递过程具有方向性，并且总是倾向于导致系统的无序度增加。
这个定律是自然界的一个重要规律，它揭示了自然过程中不可逆性和有序性的本质特征。
在实际应用中，这个定律有助于我们理解能源利用的有效性和自然资源的可持续利用问题。
复旦大学大学物理 2-5 第5章 热力学第二定律和第三定律
热量从高温自动传向低温物体的过程是不可逆的. 自由膨胀的过程是不可逆的。 一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。
墨水在水中的扩散
过程不可逆的因素 不平衡和摩擦等耗散因素的存在，是导致过程不可逆的原因。 如气体的自由扩散是由密度或压强不平衡引起的，热传导是由 温度不平衡引起的，功转换为热是由于做功过程中存在摩擦阻力 等耗散因素
S 2 S1
p 1
可逆
b
2
1
dQ T
dQ T
o
a 2 V
S 2 S1
可逆
2
1
dQ T
例如理想气体准静态绝热过程 对于微小过程 由热力学第一定律
综合了热力学第一、第二定律的可逆过程的基本 热力学关系式。
二、熵的计算
1. 熵是态函数 2. 熵是广延量 3. 对可逆过程
S 2 S1
b — c 绝热膨胀
效率与S无关，说明相同 高低温热源之间所有可逆卡 诺循环效率都相同！
c — d 等温压缩 d — a 绝热压缩
[例 ] 设一卡诺机工作于高低温热源之间（T1，T2）， 求每次循环工作物质和两热源这个系统的熵变。
为什么？ 工作物质 两热源 负号
[例] 循环ABCDEFA， 等温：AB，CD，EF
功热转换过程具有方向性。
•实际热力学过程中传热、作功都是在有限温差和压强 差下发生的，同时各种摩擦和损耗又不可避免，所以 一切实际热力学过程都是不可逆过程！
§5.1 热力学第二定律
热力学过程必须满足能量守恒，即必须满 足热力学第一定律，但是满足热力学第一 定律的过程是否就一定能实现？
高温热源T1 Q1 A Q2 低温热源T2
第二类永动机
二、热力学第二定律
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1.
有人设计一台卡诺热机(可逆的)。每循环一次可从 400 K 的高温热源 吸热1800 J，向 300 K 的低温热源放热 800 J。同时对外作功 1000 J， 这样的设计是 (A) 可以的，符合热力学第一定律 (B) 可以的，符合热力学第二定律 (C) 不行的，卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量 (D) 不行的， 这个热机的效率超过理论值
一切非平衡态过程、一切自发的耗散过程、一切生命过程 均是不可逆的。
3．热力学第一、二定律间的关系 热一律说明热功转换的数量关系：热力学过程必须遵守能量 守恒定律。 U = Q + W
热二律说明热功转换的方向和条件：并非遵守能量守恒定律
的热力学过程都能实现。并指出热功转换的限度 <100 无条件 功 有条件 热 有条件 Q 高温热源(T1)
向高温物体而不引起其他变化。 一条定律两种表述？ 似乎彼此无关
Q
低温热源（T2）
3.两种表述的等价性
两种表述对应两个 的不可逆(自发)过程： 反证法：违背Kelvin 表述,也违背Clausius表述， 开氏表述对应功热 反过来：违背 高温热源(T1) Clausius 表述 高温热源 ,也违ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ( Kelvin T1) 表述。 转换过程的不可逆； Q1 Q +Q 克氏表述对应热传 W 制冷 1 2 Q2 递过程的不可逆。
低温热源(T2)
热二律还可以有多 种表述。
4. 可逆过程与不可逆过程的判断
＊利用两种表述判别可逆与不可逆（P书260） ＊利用四种不可逆因素判别可逆与不可逆（P书262）
耗散不可逆因素 热学不可逆因素
力学不可逆因素
化学不可逆因素
四、热力学第二定律的实质· 第二定律与第一、零定律的比较
1. 第二定律的实质 热二律的实质：在一切与热相联系的自然现象中，其自 发地实现的过程都是不可逆的。
2．根据热力学第二定律可知： (A) 功可以全部转换为热，但热不能全部转换为功 (B) 热可以从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 (C) 不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程 (D) 一自发过程都是不可逆的
3．“理想气体和单一热源接触作等温膨胀时，吸收的热量全部用来对外 作功。”对此说法，有如下几种评论，哪种是正确的？ (A) 不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律 (B) 不违反热力学第二定律，但违反热力学第一定律 (C) 不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律 (D) 违反热力学第一定律 ， 也违反热力学第二定律
内能变化： 对外作功： 吸收热量：
在B A的过程中：
U U B U A
U ' U A U B
W
Q
W Q
一切实际过程都是不可逆过程。 因为一切实际过程都有摩擦。
三. 热力学第二定律的两种表述 1.开尔文(Kelvin)表述 热机 W Q 不可能制造出这样一种循环工作的热机， 问题的提出：提高 有无限制？ 第二类 Q 它只从单一热源吸热来作功，而不放出热量给其它物体， 永动机 或：不使外界发生任何变化。 同时满足！ 单一热源(T) 说明：1) ―一个热源”是指温度均匀且恒定不变的热源；
W ' Q1 =100% Q1 Q1
(第二类永动机)
热二律说：这是不可能的。 第二类永动机：从单一热源吸收热量全部转化为有用功而不 产生其它影响的一种循环动作的机器。 Kelvin 的另一种表述：第二类永动机是制造不出来的。 2.克劳修斯(Clausius)表述
高温热源（T1）
热量不可能自动地从低温物体传
密度大
W2 p2 p2V–p1V>0
W1
|W1|<|W2|，
当活塞无摩擦地、非常缓慢地拉动时，内外作功的和为零。 可视为可逆过程。
结论：1）一切自发过程都是不可逆过程。 2）只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。 正过程+逆过程=0 A 即对外影响全抵消 B V 可逆过程是理想化的过程。
p
在AB的过程中：
自动 密度小
注意：方向性是指：存在一个 自动 进行的方向。 自动——无条件(勿须外界帮助、对外不产生影响)。
其反方向也能实现——需要条件(外界帮助、对外产生影响)。
二.可逆与不可逆过程 定义： 在系统变化过程中， 如果逆过程能重复正过程的每一状态， 而且不引起其它变化，这样的过程叫做可逆过程； 反之， 在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正 过程的每一状态，或者虽然重复但必然会一起其它变化， 这样的过程都叫做不可逆过程。 例1.不计阻力的单摆运动
热功转换的方向性
无条件 热传递的 Q 方向性
低温热源(T2)
热力学过程在遵守热一律的同时还受方向性的限制。 热力学第一、二定律是相辅相成的
*任何不可逆过程的出现，总伴随有“可用能量”被贬值为“不
可用能量”的现象发生。 在能量利用 的过程中，应特别注意消除各种引起“自发的发生”的不可逆 因素，以增加可用能的比率，从而提高效率。 3．热力学第二、零定律间的关系 第零定律(热平衡定律)：任意两个物体进行热接触最终温度相同. 只能说明温度相同是达到热平衡的诸物体所具有的共同性质 无法判别尚未到达热平衡的两个物体温度的高低。 第二定律：从热量自发流向判别出物体温度的高低。与第零定律 是相互独立的。
第五章
§5.1 热力学第二定律的表述及其实质
作业：5.1.1、 5.1.2
一．热力学过程的方向性 引言：凡遵从热一律(即能量守恒)的过程是否都能实现？ 功热转换的方向性 热传导的方向性 这是热二律要回答的问题。 功 自 动 气体的绝热自由膨胀 热 密度大 自动 密度小 热
功
自 动 高温
自动
低温
密度大
2) ―其他物体不产生任何变化”是指除了“从单一热源吸
收热量以及对外作功”以外的任何变化。 等温膨胀违背吗？
虽是从单一热源吸收热量全部
对外作功，但体积膨胀了。
不违背热二律！ 3) 热二律指出了效率100%的热机制造不出来。
Q
恒 温 体
W’
3) 热二律指出了效率100%的热机制造不出来。 如果能从单一热源吸收热量对外作功而不产生其它影响， 则：
无耗散的机械运动是可逆过程。 例2.功、热的转换是不可逆过程 功变热可以百分之百。
逆过程？ 热转变为功将对外产生影响： 向低温热源传递热量。
高温热源
Q1
热机
W
Q2
低温热源
例3.气体在真空中的自由膨胀——不可逆 密度大 密度小 要收缩到原状需外界作功。
W
例4.气体的迅速膨胀——不可逆
密度小
p1 p1<p2，
热机 机 等效于
Q2
低温热源(T2)
高温热源(T1) 等效于 Q1 W 热机 Q2 Q2 低温热源(T2)
低温热源(T2)
高温热源(T1) Q1–Q2 W
热机
违背Clausius 表述,也违背Kelvin表述。
由两种表述的等价 性可知：由一种自发 过程的不可逆性可以 导出另一种自发过程 的不可逆性。 可以证明各种自发 过程的不可逆性是相 互关联的。