自发过程和热力学第二定律.ppt

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1、3.1自发过程和热力学第二定律化学平衡是从反应的各有关物质的浓度、压力、物质的量的角度来分析判断反应的方向和限度，本节从化学热力学角度（从能量的角度），用热力学函数来推测反应的方向和限度。如何从化学热力学角度（能量的角度）来预测化学反应方向？3.1.1自发过程：不需要外力的帮助，系统能自动进行的过程称为自发过程。自发过程的基本特征：⑴在没有外界作用或干扰下，系统会自动发生变化；⑵变化一旦开始将一直进行至平衡状态；⑶变化不受时间约束，与反应速率无关⑷变化有一定方向性，其逆过程是非自发。⑸自发变化与非自发变化都可能进行，只是前者是自动发生而后者必须借助外部作用才能发生。3.自发过程的方向用何物

2、理量判断？例1：热量的传递方向:用温度(T)这一物理量来判断。高温物体低温物体低温物体高温物体自发非自发借助冷冻机（T1＞T2）T1（高温）T2（低温）自发过程非自发过程（作功）即：热传递的判据——温度(T)传递自发方向为：高温低温例2:水流自发方向的判据——水位水流自发方向：高水位低水位。(低水位→高水位为非自发，可用水泵实现)例3:化学反应的自发方向如何判断？如：铁的锈蚀是自发变化，铁锈变铁是非自发变化，必须在高温下用还原剂（C、CO）还原的方法来实现,化学反应自发方向的判据是什么?3.2卡诺循环和卡诺定理人们把能够循环操作不断地将热转化为功的机器称为热机。热力学第二定律指出从单一热源

3、吸热作功的热机是不可能制造出来的。热功转换问题是研究热机效率时提出的。十九世纪初，蒸汽机在工业上的得到了广泛的应用。当时热机效率很低，人们不断改进设计来提高热机效率。那么热机效率的提高是否有限度？1824年，法国物理学家、工程师卡诺设计了一种在两热源之间工作的理想热机（被称为卡诺热机）。卡诺通过研究这种理想热机，从理论上证明了热机效率的极限。3.2.1卡诺循环设有两个热容很大的热源，高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2（如图3-1所示），参加卡诺循环的工作物质为n摩尔理想气体。热机由四个可逆过程（两个等温可逆与两个绝热可逆过程）完成一个可逆循环(如图3-2所示)。先由状态1（P1、V

4、1、T1）恒温可逆膨胀到状态2（P2、V2、T1），然后经绝热可逆膨胀到低温T2下的状态3（P3、V3、T2），再在低温T2下经过恒温可逆压缩到状态4（P4、V4、T2），使状态4正好与状态1处于同一条绝热线上，最后经绝热可逆压缩回到状态1，完成一次循环。卡诺热机卡诺循环（工作物质为n摩尔理想气体）卡诺循环（1）恒温（T1）可逆膨胀：n摩尔理想气体由状态1（P1、V1、T1）在高温热源T1下经过恒温可逆膨胀到状态2（P2、V2、T1），做功W1，吸热Q1，由于是等温过程△U1=0故有Q1=W1=nRT1ln（2）绝热可逆膨胀状态2（P2、V2、T1）→状态3（P3、V2、T1）Q=0，W2

5、=△U2=nCV，m（T2—T1）（3）恒温（T2）可逆压缩状态3（P3、V2、T1）→状态4（P4、V4、T2）恒温△U3=0W3=Q2=nRT2ln因为是压缩（V3

6、效率，用表示。热机效率的定义式为：=W/Q1高温热源与低温热源的温差越大，则热机效率越高可见在卡诺循环中，过程的热温商之和等于零。卡诺定理卡诺热机是由特殊的工作物质（理想气体）与特殊的卡诺循环构成的，那么其它热机的效率怎样？对此卡诺提出以下定理：（1）一切工作于两个不同温度热源之间的热机中以卡诺热机的工作效率最高，即在同一组高低温热源之间工作的任意不可逆热机，其效率小于可逆热机。（2）卡诺热机的效率只与热源的温度有关，而与工作物质无关，即所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆热机，其热机效率都相等。卡诺定理的意义（1）引入了一个不等号（下标r表示可逆，下标ir表示不可逆），原则上解决了化学

7、反应的方向问题；（2）解决了热机效率的极限值问题。思考与练习思考题:可逆热机的效率最高，在其他条件相同的情况下，由可逆热机牵引火车，其速度将最慢?练习题:某一热机低温热源温度为40℃，若高温热源温度为：（1）100℃（101325Pa下水的沸点）（2）265℃（5Mpa水的沸点）试分别计算卡诺循环的热机效率。正确。可逆热机的效率是指热转化为功的效率，而不是运行效率。可逆过程的特点之一就是推动力无限小，变化无限缓慢。解