[工学]机械热力学第05章

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1、第五章热力学第二定律ChapterfiveThe second law of thermodynamics1第一定律：能量数量上的守恒第二定律：过程的方向性问题热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。一、自然过程的方向性例：1.摩擦WQW=Q§5-1热力学第二定律但是，加热并不能使物体动起来。说明：功转化为热，能自发进行；热转化为功，不能自发进行。但用热机

2、能实现MAAAT+Tm2.温差传热QQ′AB?B向A传热并不违反第一定律说明：可以自发进行不能自发进行。但用热泵能实现低温高温A3.其它例子：自由膨胀，混合过程，电流通过电阻，等等自发过程逆向进行必须付出代价即自发过程不可逆自发过程：自然过程中能够独立地、无条件自动进行的过程。如前例非自发过程：不能独立自动进行，而需要外界帮助作为补充条件的过程。如前例的反过程可逆过程过程能经原路径逆行，使系统回复到原来状态；相关的外界也回复到原来的状态而不留下任何改变。非自发过程会对外界留下其影响。无法做到热力系和外界全部回到原状，不可逆

3、过程是自发过程的重要特征和属性。热力学第二定律是阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件、限度的定律。由于热现象普遍存在，第二定律有各种形式的表述方法二、热力学第二定律的表述（从热量传递的角度来表述）克氏表述指明热传导过程是有方向的。克劳修斯（RudolfClausius，1822-1888），德国物理学家，对热力学理论有杰出的贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述和熵的概念，并得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动力学理论创始人之一，提出统计概念和自由程概念，导出平均自由程公式和气体压强公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的气

4、体物态方程。克劳修斯说法：　热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。高温热源T1低温热源T2不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。开尔文—普朗克说法：（从热功转换的角度来表述）功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。开尔文（W.Thomson，1824-1907），原名汤姆孙，英国物理学家，热力学的奠基人之一。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、电

5、磁学、波动和涡流等方面卓有贡献，1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他，国际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名。例子：1.理想气体定温膨胀过程实现了Q＝W，此外，还有工质状态变化(无此则不能实现)；另外，过程有终点，不能连续实现热变功。TQW例子：2.热机循环（两个热源）Q1WnetQ2T1T2Qnet=Q1-Q2=Wnet，Q2传给T2，无此不能实现；循环可连续实现热变功。E开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性高温热源T1=0第二类永动机（单热机）不能

6、制成。第二类永动机（第二定律的又一说法）第一类永动机：不消耗能量作功。违反第一定律。第二类永动机：从单一热源吸热并全部转化功，即热效率为百分之百。违反第二定律。热力学第二定律的各种说法是等效的。可用反正法证明。克氏说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。开—普说法：不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不　　　　留下其他任何变化的热力发动机表面上看，二者完全不同，实则是等效的。即一种说法是正确的，另一种说法也必然正确；如果一种说法是不成立的，则另一种说法也必然不成立。注意：是等效性证明，不是证明定律本

7、身是否正确。第二定律的正确性是由实践证明的。高温热源T1低温热源T2AB高温热源T1低温热源T2假设热机A违反开尔文-普朗克说法能从高温热源取得热量，而把它全部转变为机械功w0即w0＝Q0，W0则可利用这些功来带动制冷机B，由低温热源取得热量Q2,而向高温热源放出热量Q1。即即低温热源给出热量Q2，而高温热源得到了热量Q2，此外没有其它的变化。这显然违反了克劳修斯说法。A机W0＝Q0由于Q0＝W0＝Q1-Q2即Q2＝Q1-Q0Q0开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立对整个宇宙不适用。1）适用于宏观过程，对微观过程不适用

8、；2）孤立系统有限范围。热力学第二定律的适用范围克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立高温热源T1低温热源T2高温热源T1WW三、关于热力学第二定律的说明1、热力学第一定律是守恒定律。第二定律则指出，符合第一定律的过程并不一定都可以实现的，这两个定律是互相独立的，它们一起构成了热力学