文档介绍：第三章
热力学第二定律
§3、1 自发变化的共同特征
一个过程发生的方向和限度如何?第一定律无法回答!而这正是热力学第二定律所要解决的问题。
如何解决这个问题?从自然界所发生的一些过程的方向性入手,寻找决定这些过程方向的共同因素,从而用于判断一切过程的方向(化学过程也不例外),这就是第二定律解决问题的思路!
自发过程如:热量的传递、水的流动、气体的扩散、电流的
流动等等。
自发过程的方向是由什么因素决定的?从表面上看,各不相同,但其共同的决定因素是什么?
第三章热力学第二定律
例1。理想气体自由膨胀过程:
Q=0,W=0,ΔU=0,ΔT=0
恒温可逆压缩,W=Q
始态
终态
结果:体系复原;环境:失W功,得Q热,其绝对值相等; 环境能否复原?
一、典型自发过程举例
结果:高低温热源均复原;
环境:失W功,得W热,其绝对值相等;
环境能否复原?
T1
T2
Q1
Q1
W
Q1+W
Q=W
例2。热从高温物体传给低温物体:
自发过程是否为热力学可逆过程最终归结为:“热能否全部转化为功而不引起任何其他变化”。这样一个问题。
二、自发过程的共同特征
人类经验告诉我们:“功可以自发地全部变为热,而热不可能全部转变为功而不引起其他变化”。(热力学第二定律的一种经典表述)
所以:
(1)一切自发过程的共同特征:方向性、不可逆性
(2)自发过程的方向性,其根本是由热功转化的方向性所决定的。
§ 热力学第二定律
几点说明:1。利用第二定律判断时,需用特殊的技巧将过程设计成归结为热功转化的问题或第二类永动机,再判断之。 2。判断的结论只能是可逆或不可逆(自发与否),过程所能进行的程度无法指出。繁?新函数?
经典表述:
1、人们不能制造一种机器,这种机器能循环不断地工作,它仅仅从单一热源吸取热量均变为功,而没有其它任何变化。
2、功可以自发地全部变为热,而热不可能全部转变为功而不引起其他变化。
一般表述:第二类永动机不能实现。
热机:系统经过一个循环,从环境中吸取热并将其转化为功;制冷机:反之。
当体系经一系列变化,最后循环回到始态,则:
△U=∮dU=0,Q=W,可见体系经循环后,将从环境吸收的Q热量全部转化为W功传给环境,或反之。这便是热功转换!(热机、致冷机为其实例之一)。在实现热功转换的各种循环中,卡诺循环具有非常重要的意义。
与热功转化有关的是热机和制冷机
解决过程的
方向和限度
1。寻找自然界自发过程方向性的共同因素
2。热功转化的方向性所决定(第二定律)
3。寻找决定过程方向的状态函数X
{
4。从热功转化的关系(热机)中寻找X
热机
卡诺热机(卡诺循环)-----可逆机(可逆循环)
一般热机(不可逆循环)-----不可逆机
{
热力学第二定律数学表达式
{
卡诺原理
热力学第二定律
§ 3、3 卡诺循环与卡诺定理
由下列四个可逆过程构成的循环:
(1)等温可逆膨胀 A → B
(2)绝热可逆膨胀 B → C
(3)等温可逆压缩 C → D
(4)绝热可逆压缩 D → A
一、卡诺循环(以理想气体为例)
T2
P
V
T1
Q1
高温热源
A
B
D
C
低温热源
Q2
A
B
D
C
系统经卡诺循环后: △U=0,Q=-W
即 Q1+Q2=-(W1+W2+W3+W4)
因为: Q1+Q2=-(W1+W2+W3+W4)
-W总=nRT1ln(V2/V1)+nCv,m(T1-T2)
+nRT2ln(V4/V3)-nCv,m(T1-T2)
=nRT1ln(V2/V1)+nRT2ln(V4/V3)
T2
P
V
T1
Q1
高温热源
A
B
D
C
低温热源
Q2
A
B
D
C
注:理想气体绝热可逆过程:
=nR(T1-T2)ln(V2/V1) =Q总=Q1+Q2
1。卡诺热机:利用卡诺循环的方式将热转换为功的热机。
二、卡诺热机
2。热机的效率: ηR=-W对外做功/Q吸收
卡诺热机从高温热源吸热Q1,而将Q2传给低温热源,同时对环境做功-W=Q1+Q2 。
其效率为:ηR=-W/Q1=(Q1+Q2)/Q1
=[nR(T1-T2)ln(V2/V1)]/nRT1ln(V2/V1)
=(T1-T2)/T1
即: