大学物理第4章热学热二律.pptVIP

§4.6 熵 熵增原理 * 热力学第二定律：关于自然过程进行方向的规律。 热力学第一定律：一切热力学过程都满足能量守恒。 第一类永动机不可能制造出来！ 不消耗能量而做有用功的热机称为第一类永动机 问题：满足能量守恒的过程都能进行吗? 不一定！ 第二类永动机不可能制造出来！ 效率为 100 % 的热机称为第二类永动机，它仅需 一个热源，循环对外做功，不违反热一律，但是 违反热二律。 §4.5 热力学第二定律 一、自然过程的方向性： 自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进 行的，反向过程不可能自动地进行。 例：功热转换过程 热传导过程 绝热自由膨胀过程 ……… 1. 功热转换： 转动的飞轮，撤除动力后，由于摩擦而停下来， 机械能转化为热能 (内能)。反之, 飞轮自动冷却, 其内 能转化为机械能 —飞轮自动旋转起来, 从来不会发生。 通过摩擦使功变热的过程不可逆。 热变功的过程能够发生，例如热机，但是同时向 低温热源 (环境) 放热 — 产生了其他变化(与环境产生 关联)。 2. 热传导： 热量自动地由高温物体传向低温物体，不能自动 反向传导。 热量由低温物体传向高温物体能够发生，例如致 冷机，但是需环境对其做功 — 产生了其他变化 (与环 境产生关联)。 热量由高温物体向低温物体传递不可逆。 3. 气体的绝热自由膨胀： 绝热自由膨胀是气体自动地由非平 衡态变为平衡态；相反的过程，即充满 容器的气体自动收缩到一侧，不能发生。 气体绝热自由膨胀不可逆。 体积缩小的过程能够发生，例如可 以用活塞把气体推回到左侧，但是需要 外界做功 — 产生了其他变化(与环境产 生关联) 。 4. 可逆过程和不可逆过程： (2) 系统 A ? B，同时对环境产生影响： 若系统 B ?A 时对环境的影响消除，则 A ?B 的 过程叫可逆过程； 若系统 B ?A 时对环境影响未消除，则 A ?B 的 过程叫不可逆过程。 系统 环境 (1) 系统状态 A ? 状态 B，同时对 环境没有产生影响： 若系统 B ?A 时也对环境没有产生 影响，则 A ? B 的过程叫可逆过程； 若系统 B ?A 时对环境产生影响，则 A ?B 的过程叫不可逆过程。 (1) 微观过程是可逆的，例如，少数几个分子很可能自 动地处于容器的一侧。 (2) 宏观的可逆过程是一个理想模型。实际宏观过程存 在摩擦、黏滞力、非弹性碰撞、焦耳热等“耗散” 因 素，所以都是不可逆过程。 (3) 不可逆过程不是不能在相反方向进行，关键是要产 生其他变化(要与环境发生关联，不能自发地进行)。 5. 自然过程进行方向的一般规律： 一切与热现象有关的实际宏观过程都涉及热功转 换、或热传导、或非平衡态向平衡态转化，因此 一切与热现象有关的自发宏观过程都是不可逆的。 二、不可逆性的相互依存、热力学第二定律的表述： 自然界中的不可逆过程是相互联系的，是等价 的，由一个过程的不可逆性可以推断另一个的不可 逆性。 结论： 每个不可逆过程都可以作为热力学第二定律表 述的基础。热力学第二定律有不同的表达形式，但 其本质上都是揭示了自发宏观过程进行方向的客观 规律。 克劳修斯表述 (1850年)：热量不能 自动地由低温物体传到高温物体。 对致冷机，需要环境对系统做功。 高温热源 低温热源 Q ? 开尔文表述 (1851年)：不能从单一 热源取热，使之全部转为功而不引起其 它变化。对热机，其它变化是向低温热 源放热。单热源热机是不可能制成的。 高温热源 低温热源 Q A=Q ? 不能说成“热量全部变成功是不可 能的”。气体与热源接触做等温膨胀， 内能不变，吸收的热量全部对外做功。 但此过程产生了其它变化 (气体体积膨胀了)。 高温热源 低温热源 两种表述等价。证明用反证法： 高温热源 低温热源 Q A=Q Q2 Q2+A=Q2+Q 低温热源 高温热源 Q2 高温热源 低温热源 高温热源 低温热源 Q-A Q 低温热源 高温热源 Q A Q2=A A 假设 开尔文 表述错误 证明 克劳修斯 表述错误 假设 克劳修斯 表述错误 证明 开尔文 表述错误 热二律的又一种表述：气体不能自动收缩而不引 起其它变化。可用反证法证明它与开尔文表述等价。 热源 热源 热源 热源 Q 热源 A=Q Q ?