文档介绍：第四章
热力学第二定律
主讲:左武魁
( The Second Law of Thermodynamics )
第四章热力学第二定律
§ 热力学概率与自然过程的方向
§ 自然过程的方向性
§ 热力学第二定律及其微观意义
§ 玻耳兹曼熵公式和熵增加原理
§ 熵熵增加原理
§ 可逆过程
§ 克劳修斯熵公式
一、可逆过程和不可逆过程(revesible process and ir ~ )
一个系统从某一状态A 出发,经过某一过程达到另一状态B 。
§ 自然过程的方向性( directionality of natural process )
如果存在另一个过程,它能使系统和外界完全复原(系统回到原来的状态A,同时消除原来过程对外界的一切影响),则这一过程称为可逆过程。
1.
2.
如果用任何方法都不能够使系统和外界完全复原(系统回到原来状态A ,同时消除原来过程对外界的一切影响),则这一过程称为不可逆过程。
二、自然过程的方向性
在一个与外界无相互作用的系统(即孤立系统)内自然发生的过程。
满足能量守恒定律的过程一定能实现吗?
——符合热力学第一律的过程,不一定能在自然界发生。
问题:
自然过程:
1. 功热转换过程的方向性
结论1:
通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的;或着说,热不能自动转化为功。
二、自然过程的方向性( directionality of natural process )
如:
水冷却使叶片旋转,从而提升重物,不可能自然进行。
焦耳热功当量实验
m
重物
绝热壁
水
叶片
2. 热传导的方向性( directionality of head conduction )
结论2:
热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的;或者说,热量不能自动地由低温物体传向高温物体。
重物下落,功全部转化成热而不产生其他变化,可自然进行。
( directionality of word-head transformation )
真空
p
V
空气
p0
V0
二、自然过程的方向性( directionality of natural process )
3. 气体的绝热自由膨胀
结论3:
说明:
(4)非平衡态到平衡态的过程是不可逆的;
(5)准静态过程不一定是可逆过程(如:存在摩擦)。
气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的
。
(3)自然界中宏观过程的不可逆过程都是相互依存的。
一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程;
(1)
自然界中的一切热力学过程都是按一定的方向进行的,反方向的逆过程不可能自动进行。
(2)
(adiabatic free expansion of ideal gas)
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
√
全部
全部
一些自然过程的方向
如果是非自然过程,上述情况能否发生?
讨论:
1. 克劳修斯(Clausius)表述
引入
§ 热力学第二定律及其微观意义
热量不能自动地从低温物体传向高温物体。
一、热力学第二定律
说明自然过程进行方向的规律叫做热力学第二定律。
任何一种对实际过程进行方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述。
不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。
clausius
Q
T1(高)
T2(低)
( The Second Law of Thermodynamics and The Microscopic Signification )
2. 开尔文(Kelvin)表述
其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能的。
一、热力学第二定律( The Second Law of Thermodynamics )
不可能从单一热源吸取热量,使之
1. 克劳修斯(Clausius)表述
Kelvin
A = Q
Q
T
第二类永动机
另一种表述:
全部变成有用功而不引起其它变化。
第二类永动机不可能制成。
热力学第二定律是关于自然过程方向的一条基本的、普遍的定律。它是较热力学第一定律层次更深的规律。
结论:
3. 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
A=Q1
T1
Q1
T1
T2
Q2
等价
设开氏表述不成立
则克氏表述不成立
Q1+Q2
T2
Q2
(2) 若开氏