热力学第二定律的表述卡诺定理

1. 在相同的高温热源（温度为T1）和相同的低温热源（温度T2 ） 之间工作的一切可逆热机，不论它们用什么工作物质，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即
Q T 2 1 1 2 Q T 1 1
2. 在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其 效率都不可能大于可逆热机的效率。 说明 (1) 要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、 漏气、散热等耗散因素 ）以提高热机效率。
高温 物体 热 量 自 动 低温 物体 压缩的气体
膨胀的气体 体 积 自 动
热力学过程通常分为两类:可逆过程和不可逆过程.
1.可逆与不可逆过 程可逆过程 :若系统经历了某一个过程，由状态1 ☺
变化到状态2，如果存在另一过程，它能使系统和 外界完全复原，则原过程称为可逆过程。
准静态无摩擦过程为可逆过程
1） 热力学第二定律是大量实验和经验的总结
2）热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说 法具有等效性 . 3）热力学第二定律独立与热力学第一定律。 4）热力学第二定律是反映自然界自发宏观过 程进行的方向性 .即哪些过程能自发进行，哪些过 程不能自发进行。
第八章 热力学基础
二、可逆过程的引入
与热现象有关的自然界的过程是有方向性的, 人类 社会中的许多过程也是有方向性的。如：
第八章 热力学基础
N 1 2N
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
热力学第二定律的统计意义： 系统总是从热力学概率小的宏观状态向热力学概 率大的宏观状态进行，即从有序向无序的状态发展。
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理 四、 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而
不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任
何变化 .
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
说 明 (1) 热力学第二定律开尔文表述 的另一叙述形式:第二类永动 机不可能制成 (2) 热力学第二定律的开尔文表述 实际上表明了
Q
T1 Q1
A
Q
2
克劳修斯表 述不成立
(2) 假设克劳修 斯 表述不成立
Q2
A Q Q 2 1
低温热源
T2
高温热源
Q2 Q2
Q2
Q1
T1
A
Q 1 Q 2
开尔文表 述不成立
第八章 热力学基础
A Q Q 1 2
低温热源
T2
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理 注意
物理学教程 （第二版）
T 1 T 2
T1
D
W
B
T2
C
V
o
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理 2
物理学教程 （第二版）
克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自
动传到高温物体而不引起外界的变化 .
p
A
Q1
T1
D
T T2 1
B
高温热源 T 1
Q1
卡诺致冷机
C V
W
W
o
Q2
T2
低温热源 T 2
Q2
虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温
物体，但需外界 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
说明 (1)热力学第二定律克劳修斯表述的另一 叙述形式:理想制冷机不可能制成 (2)热力学第二定律的克劳 修斯表述
物理学教程 （第二版）
实际上表明了
Q2 w A 3. 热机、制冷机的能流图示方法
A Q 1 2 1 Q Q 1 1
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
p p1
, V ,T ) 1 (p 1 1
(p , V ,T ) 2 2
QT
2
E
W
p2
W
V1
o
p
A
V2
V
等温膨胀过程是从 单一热源吸热作功，而 不放出热量给其它物体, 但它非循环过程. 卡诺 Q 1 W 循环是循 环过程， 但需两个 卡诺热机 热源，且 Q2 使外界发 低温热源 T 2 生变化. 高温热源 T 1
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
n 1 1 可分辨粒子总数 N = 4
n 2 4 各种分布的状态总数
n3 6
ni 16
i
n3 4
n5 1
N 1 2
1 2 2
粒子集中在左空间的概率
1 1 W 4 16 2
4
1 4 2
1 W （左） 2
程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量 耗散的过程 .
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理 三、热力学第二定律的统计意义
物理学教程 （第二版）
不可逆过程的微观本质？
讨论
N 个粒子在空间的分布问题
可分辨的粒子集中在 左空间的概率
N 1 ,W 1 2
N 2 ,W 1 4
• • • •
功向热转化的过程是不 可逆的。 一切自发过程都是单方 向进行的不可逆过程。 热量从高温自动传向
低温物体的过程是不 墨水在水中的扩散 可逆的 自由膨胀的过程是不可逆的。
（真空） 可逆 （有气体） 不可逆
结论：一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实 际过程都是不可逆过程。 3.实现可逆过程的条件：准静态过程（无限缓慢的过
☺不可逆过程：如果用任何方法都不能使系统和外 界恢复到原来状态，该过程就称不可逆过程
非准静态过程为 不可逆过程 . ☺自发过程：自然界中不受外界影响而能够自动发生 的过程。 2.举例： 弹簧振子(无摩擦时) 过程可逆
(有摩擦时) 不可逆
x
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
热 机 的 能 流 图
高温热源 T 1
Q1
A
低温热源 T 2
Q2
致 冷 机 的 能 流 图
高温热源 T 1
Q1
A
Q2 低温热源 T 2
第八章 热力学基础
8 – 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等价 (1) 假设开尔文 高温热源 表述不成立 Q A
物理学教程 （第二版）
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理
物理学教程 （第二版）
热力学第二定律 的表述卡诺定理
第八章 热力学基础
8 – 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理 总结 1 功热转换的条件第一定律无法说明.
物理学教程 （第二版）
2
热传导的方向性、气体自由膨胀的不可
逆性问题第一定律无法说明. 一 热力学第二定律的两种表述 1 开尔文说法：不可能制造出这样一种循