第三章热力学第二定律(定稿).ppt

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1、第三章热力学第二定律1引言1.自发过程的方向和限度但符合第一定律的过程一定能发生吗？经验告诉我们，并不是任何不违反第一定律的过程都可能实现。热力学第一定律指出了系统变化时能量转变的守恒关系。事实证明，一切违反第一定律的过程肯定不能发生。2例：两物体的传热问题若T1>T2，AB接触后,热量自动由A流向B。最后两者温度相等。相反的过程，热量自动由低温物体流到高温物体，使热者愈热，冷者愈冷，这种现象从未自动发生过。ABT1>T2又例：水流的方向问题；电流的方向问题自然界中能够自动发生的过程都是有方向性的3热力学第一定律：不能回答自发过程的方向性问题；两物体

2、的传热过程将进行到两物体温度相等为止，此时建立了热平衡，传热过程不再发生。但热力学第一定律也不能得出这一结论，它只涉及能量转化必须守恒。因此两温度相同的物体产生温差的过程并不违反第一定律。而事实上系统达到热平衡后不会再自动产生温差，除非外界给它做功。同样水位差消失后，水的流动就停止了；压力差消失后气体的流动就停止了；电位差相等时电的流动就终止了。4这些例子说明自然界中一切自发过程都有其一定的限度，并不能无限制地进行下去，而热力学第一定律也不能回答过程的限度问题。这正是热力学第二定律要解决的问题，热力学第二定律要确定的是自发过程的方向和限度。所谓自发过

3、程，就是不需外力帮助能够自动发生的过程。事实上：一切自发过程都是不可逆的。不过要注意自发过程并非不可逆转，但必须外力帮助(外力对之做功)。5例如：用制冷机可以将热由低温物体转移到高温物体；用压缩机可将气体由低压容器抽出，压入高压容器；用水泵可以将水从低处打到高处。但这一切外界必须付出代价，做出相应的功，而不是自发逆转。也就是说自发过程进行后，虽然可以逆转，使体系回复到原状，但环境必须消耗功，而不是自发的逆转。体系复原，但环境不能复原。所以一切自发过程都是不可逆的。6但不是所有实际过程都能凭经验预先知道其方向和限度。是否有普遍适用的共同判据？热力学第二

4、定律温度差——判断热传导的方向和限度；水位差——判断水流动的方向和限度；压力差——判断气体流动的方向和限度；电位差——判断电流流动的方向和限度；在日常生活中，一些常见的过程，我们凭经验早就知道如何判断自发的方向和限度，如：72.热力学第二定律的经典表述热力学第二定律与第一定律一样，是人类长期生产实践与科学实验的总结，无数次的实验与观察证实它是能够正确反映自发过程共同本质的客观规律。热力学第二定律的表达方式很多，有些很抽象，下面介绍几种常见的经典表述：（1）克劳修斯（Clausius,R)说法：热不可能自动从低温物体流向高温物体。ABT1>T28这即是

5、说，若要使热从低温物体传到高温，环境要付出代价。例如，用冷冻机，可以将热从低温物体传到高温物体，但环境要对系统做功，而相当于这部分功的能量必然以热的形式还给环境。总的结果是环境作出了功而同时得到了热。克劳修斯说法，反映了传热过程的不可逆性。ABT1>T2不可逆9热功转换是有方向性的：功热（可全部）；热功（只部分）由于第二定律最初是在研究热机效率时提出的，所以许多叙述方式是与热工转换相联系的。人们很早就发现：（2）开尔文（Kelvin,L)说法：不可能从单一热源吸热作功而不产生其它影响。从第一定律看，热与功都是能量转化的方式，之间似乎没有原则上的差

6、别。在一个循环过程中，U=0，Q=-W，通过循环过程把热完全变为功，并不违反第一定律。10历史上人们曾经幻想制造出一种热机，它能够通过循环操作，不断从单一热源吸热，并完全转化为功。换句话说，它能单纯使物体冷却而把热转变为功。由于海洋、大气、地面等所储藏的能量差不多可看成是无限的，此种机器如能制成，就是一种永动机，即所谓“第二类永动机”，但所有这些尝试都失败了。11所以人们总结出下列结论：“不可能制造出一种循环操作的机器，它的全部作用只是产生功，并使单一热源冷却”。即：“不能从单一热源吸热作功而不引起其它变化”。或：“第二类永动机是不可能的”12不过

7、需要指出的是：热力学第二定律并没有说热不能转变为功，而是说热机的“全部作用”只是变热为功是不可能的。“全部作用”包含着不引起任何其它变化的意思。TATBHQ1Q2W经验告诉我们，通过热机，可以使热转化为功，但热机从高温热源吸入的热只能部分地变为功，另一部分不能变为功的热将流入到另一个低温热源中去，低温热源的存在是必要的。13高温热源300JW=-200J-100J低温热源若热100J自动由低温热源传向高温，则可实现单一热源做功第二定律的Clausius说法和Kelvin说法实际上是等价的，从一种说法可以导出另一种说法；若一种说法不成立，另一种说法也不

8、成立。例如：Clausius的说法若不成立，Kelvin的说法也不成立。14另外还可以证明自然界中各种自发过