8-6热力学第二定律卡诺定理

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1、满足热力学第一定律（能量守恒）的热力学过程是否都能实现？（如混合后的气体不能自动分离等）。热力学第一定律阐明了热力学过程应满足能量守恒定律，但还有热力学过程进行的方向和限度问题：提高热机效率有没有限制问题？能否制造出可从单一热源吸取热量完全用来作功的热机（第二类永动机）？（不违反热力学第一定律）20世纪40年代，有人估计将海水降低0.1K，所获得的能量可使全世界的工厂开动1700年。能否制造不需要外界对系统作功，就能使热量从低温物体传递给高温物体的致冷机？一问题的提出1自然过程的实例：自然界自动进行的过程是有方向性的。一切自然过程都是

2、不可逆的。例1功热转换的方向性功热:可自动进行（如摩擦生热、焦耳实验）热功:不可自动进行（焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高）实际经验告诉我们：在自然界中，不是所有符合热力学第一定律的过程都能发生。2“热自动地转换为功的过程不可能发生”。通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的。即：其惟一效果（指不引起其它变化）是一定量的内能（热）全部转变为机械能（功）的过程是不可能发生的”。热机：可以把热转变成了功，但有其它变化（热量从高温热源传给了低温热源）。理想气体等温膨胀：把热全部变成了功，但伴随了其它变化（体积膨胀）。例2热传

3、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。3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。“热量不可能自动地从低温物体传向高温物体”。即：“其惟一效果（不引起其他任何变化）是热量从低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的”。热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的。致冷机可以将热量从低温物体传向高温物体，但这要通过外界做功（引起了其他变化）才能实现。4例3气体绝热自由膨胀的方向性初平衡态非平衡态末平衡态反方向过程是不可能实现的。气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。

4、“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的”（均涉及热功转换或热传导）总之：实际自然过程都是按一定的方向进行的，是不可逆的（或说相反方向可以发生，但必然产生其他后果）。5“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的”（均涉及热功转换或热传导）实例：生命过程是不可逆的：出生童年少年青年中年老年？是不可逆！热力学第二定律就是为了说明自然宏观不可逆的过程进行的方向的规律。热力学第二定律有两种表述：开尔文表述和克劳修斯表述。6开尔文表述：其惟一效果是热全部转变为功的过程是不可能的。或：不能制造出一种只从单一热源吸取热量，使其全部

5、转变成功而不引起其它变化的循环工作的热机。热机A热源Q注意：1.开尔文说法指得是循环工作的热机。如果工作物质的不是循环过程，如等温膨胀过程，是可以把从一个热源吸收的热量全部用来作功的，但要持续作功是不可能的。2.指出第二类永动机（单热机）是不可能实现的。播放教学片CD4永动机二热力学第二定律：7二热力学第二定律：阐明了热力学过程进行的方向。克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传到高温物体而不引起其它的变化。即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法不成立，另一个也必然不成立。1.两种表述是统一的、等效的。说明：8*不可

6、逆过程的相互依存：各种实际宏观过程的不可逆性都是相互依存（方向性都是相互沟通的）。相互依存（相互沟通的）：一种过程的方向性存在（或消失），则另一过程的方向性也存在（或消失）。假设功变热转换的不可逆性消失，即假设热量可以自动地通过某种假想装置全部转变为功。假想装置(a)Q热源T0WT>T0T(b)热源T0QT可利用此假想装置做功使水温上升T＞T0。相当是热量自动地从低温传到高温。即若功热转换的不可逆性消失则热量从高温传向低温的不可逆性也消失了.9卡诺机假设热量由高温向低温的不可逆性消失了，即假设热量可以自动地通过某种假想装置从低温传向高

7、温。假想装置(a)Q2低温热源T2高温热源T1Q1Q2W(b)W高温热源T1低温热源T2Q1-Q2可设计一卡诺热机，能自动从高温热源吸热Q1，对外做功W，并向低温热源放热Q2，使低温热源复原。相当于从高温热源吸热Q1－Q2，并全部转变为对外做功W而不引起其他任何变化,即功热转换的不可逆性也消失了.10绝热(a)初态热源(b)吸热做功(c)自动收缩回复初态热源Q(d)总效果假设理想气体绝热自由膨胀的不可逆性消失了，即假设气体能够自动收缩。利用一个热源与气缸底部接触，使气缸吸热，推动活塞作等温膨胀而对外做功。Q＝W然后让气体自动收缩回原体

8、积。再把活塞移到原位置（这一移动不做功）。则其唯一效果是一定的热量变成了功而没有引起任何其他变化。即功变热的不可逆性消失了。11总之：各种宏观自然过程的不可逆性都是互相联系在一起的或者说是相互依存的，只需承认其中之一的不