大学物理-多媒体课件-3热力学第二定律

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1、§4.1自然过程的方向§4.2热力学第二定律§4.3过程的可逆性§4.4卡诺定理§4.5克劳修斯熵公式§4.6熵增加原理△§4.9温熵图△§4.10熵与能量退降§4.7热力学第二定律的统计意义§4.8玻耳兹曼熵公式本章目录1§4.1自然过程的方向（书4.1节）符合热一律的过程，不一定能在自然界发生，例如：重物下落，功全部转化成热而不产生其他变化，可自然进行。水冷却使叶片旋转，从而提升重物，则不可能自然进行。··水叶片重物重物绝热壁焦耳热功当量实验2过程的唯一效果能否发生热功转换功热功热√热传导高温热量低温高温热量低温√气体扩散分离混合分离混合√一些自然过程的方向：全部全部3§4

2、.2热力学第二定律（书4.3节）热力学第二定律是关于自然过程方向的一一.热力学第二定律的两种表述：1.开氏表述（Kelvin，1851）：其唯一效果是热量全部转变为功的过程是不可能的。A=QQT第二类永动机条基本的、普遍的定律。4A=QV1TQV2左图所示过程是思考开氏表述的另种说法：2. 克氏表述（clausius，1850）：热量不能自动地从低温物体传向高温物体QT1（高）T2（低）否违反热力学第二定律？不存在第二类永动机5二.两种表述的等价性1.若克氏表述成立，则开氏表述亦成立。反证法：克氏表述成立开氏表述成立等价设开氏表述不成立则克氏表述不成立（自证）2.若开氏表述成立，则克

3、氏表述也成立。A=Q1T1Q1T1T2Q2Q1+Q2T2Q2Q1T1A6[例].试证明在pV图上任意物质的一条等温证：用反证法，设等温线和绝热线能相交两次。绝热线（等S线）等温线QA=QpV则如图示，可构成一个单热库热机，从而违反热力学第二定律的开氏表述，故假设不成立。线和一条绝热线不能相交两次。类似的也可用反证法证明在pV图上两条（自己证明）绝热线不能相交。演示热磁轮(KR008)，半导体热堆热机(KR009)记忆合金热机(KR010)，橡皮条热机(KR012)7§4.3过程的可逆性（书4.6、4.2节）一.定义1.可逆过程（reversibleprocess）：其结果（系统和

4、外界的变化）可以完全（准静态、无摩擦的过程）被消除的过程。一般地说，如果过程进行的每一步都仅使外界条件改变一个无穷小的量，那么这个过程就是可逆的。（其结果是系统和外界能同时回到初态）。可逆过程必然是可以沿原路径反向进行的82.不可逆过程（irreversibleprocess）：其结果不能完全被消除的过程。例如：有限温差热传导，“一切与热现象有关的实际宏观过程都不可逆”八宝山“今天的你我怎能重复昨天的故事!”生命过程是不可逆的：出生童年少年青年中年——不可逆！老年气体自由膨胀摩擦生热，正如一首歌中唱的：9二.不可逆过程是相互沟通的热二律的开氏表述功全部转换成热而不产生其

5、它影响的过程是不可逆的热二律的克氏说法有限温差热传导不可逆功、热转换的不可逆性热传导的不可逆性开氏、克氏表述的等价（否则热全部转换为功而不产生其它影响成立，这就违背了热二律的开氏说法。）10实际上，一切不可逆过程都是相互沟通的。功变热而不产生其他影响之不可逆（开氏表述）气体自由膨胀之不可逆等价绝热壁A=QQTT气体A=QTQ循环，无变化气体证明：任何一种不可逆过程的表述，都可作为热力学第二定律的表述！设气体能自动收缩不成立不成立可导出例如：导致气体T11§4.4卡诺定理（Carnottheorem）一.卡诺定理（1824）1.工作在相同温度的高、低温热库之间的一（*证明见书P185

6、186例4.1）切可逆机的效率都相等，与工作物质无关。卡诺定理有两条：122.工作在相同温度的高、低温热库之间的一切（*参照书P185186例4.1，自己证明）不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。二.热力学温标（书P131）卡诺定理的一个重要的理论意义是可以根据不太严格的论证如下：它来定义热力学温标。13令水的三相点T3=273.16K，高温T1低温T2Q2Q1A可逆Q1、Q2取绝对值—热力学温标故测热量比可给出温度比，以上关系与测温物质无关，对图示卡诺热机，由卡诺定理，有就可完全确定温度T于是有14三.任意可逆循环的效率T1—循环的最高温度T2—循环的最低温度以上关系证明如下

7、：由卡诺定理可给出任意可逆循环的效率为：其中15对第i∴Qaabb=Qab故aabb与ab等价∴pVO绝热线iT2iT1iaabb△Q2i△Q1i将任意可逆循环分称多个小卡诺循环，个卡诺循环，令：等温线又Eaabb=Eab对小卡诺循环i有16§4.5克劳修斯熵公式（书4.7、4.8节）定律、定理可以引出新的物理量：牛顿第二定律m热力学第零定律T热力学第一定律E热力学第二定律？（应反映过程方向）17pVO绝热线等温线iT1iT