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1、第三篇热学第三篇热学(Thermodynamics) 第十六章 热力学第二定律第十六章 热力学第二定律 2学时 16 学时 161 热力学第二定律1 热力学第二定律 一、热力学过程的方向性一、热力学过程的方向性二、可逆过程与不可逆过程二、可逆过程与不可逆过程 三、热力学第二定律的两种表述三、热力学第二定律的两种表述四、热力学第二定律的统计意义四、热力学第二定律的统计意义 16162 熵2 熵 一、克劳修斯熵一、克劳修斯熵二、熵的计算二、熵的计算 三、熵增加原理三、熵增加原理四、玻耳兹曼熵四、玻耳兹曼熵 小结小结例题例题 知识网络框图知识网络框图 下一页 下一页下一页 下一页 下一页下一页 上一
2、页 上一页上一页 返回 返回返回 第十六章 热力学第二定律第十六章 热力学第二定律(The Second 问题：问题：Law of the Thermodynamics) 1)热机热机100%? 由能量守恒定律否定。由能量守恒定律否定。 2)热机热机=100%? 即从单一热源吸热， 全部变为有用功，而不对外放热呢？ 此乃第二类永动机。 有人算过 即从单一热源吸热， 全部变为有用功，而不对外放热呢？ 此乃第二类永动机。 有人算过:如果能成功，从海水中吸热， 只要使海水 如果能成功，从海水中吸热， 只要使海水T0.01K，其所做功足以 让全世界所有工厂使用一千年。 ，其所做功足以 让全世界所有工厂
3、使用一千年。 3)能否制造一种制冷机，不需外界做功， 就能使 能否制造一种制冷机，不需外界做功， 就能使Q自动从低温传递给高温物体？ 这些问题不能由热第一定律来解决。 自动从低温传递给高温物体？ 这些问题不能由热第一定律来解决。 上节回顾： 一.绝热过程： 上节回顾： 一.绝热过程：0= =dQ )( abQ EEA = =()() abV TTC M = 过程方程：过程方程：CPV= = CTV= 1 或或 CTP = = 1 或或 二二.循环过程循环过程 1.特征：闭合曲线特征：闭合曲线;系统状态未变系统状态未变; E=0 2. 分类：分类：正循环：正循环：PV图按顺时针循环图按顺时针循环
4、 系统吸热系统吸热对外做功为正，用于热机。 逆循环： 对外做功为正，用于热机。 逆循环：PV图按逆时针方向的循环。图按逆时针方向的循环。 外界对系统做功为负，应用于致冷机。外界对系统做功为负，应用于致冷机。 利用外界做功获得低温。 五.卡诺热机效率： 利用外界做功获得低温。 五.卡诺热机效率： 1 2 1 1 2 1 T T Q Q = 卡 = 卡 致冷系数：致冷系数： 21 2 21 2 TT T QQ Q w = = = = 卡卡 四.致冷系数：四.致冷系数： 21 22 QQ Q A Q w = = 1 21 1 Q QQ Q A = 1 2 1 Q Q = 三.热机效率：三.热机效率：
5、 161热力学第二定律热力学第二定律 一一.热力学过程的方向性：热力学过程的方向性： 例：例：1)热传递:热自发热传递:热自发冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 2)热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的 热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的方向问题方向问题。 第十六章 热力学第二定律第十六章 热力学第二定律(The Second 问题：问题：Law of the Thermodynamic
6、s) 1)热机热机100%? 由能量守恒定律否定。由能量守恒定律否定。 2)热机热机=100%? 即从单一热源吸热， 全部变为有用功，而不对外放热呢？ 此乃第二类永动机。 有人算过 即从单一热源吸热， 全部变为有用功，而不对外放热呢？ 此乃第二类永动机。 有人算过:如果能成功，从海水中吸热， 只要使海水 如果能成功，从海水中吸热， 只要使海水T0.01K，其所做功足以 让全世界所有工厂使用一千年。 ，其所做功足以 让全世界所有工厂使用一千年。 3)能否制造一种制冷机，不需外界做功， 就能使 能否制造一种制冷机，不需外界做功， 就能使Q自动从低温传递给高温物体？ 这些问题不能由热第一定律来解决。
7、 自动从低温传递给高温物体？ 这些问题不能由热第一定律来解决。 161热力学第二定律 一 热力学第二定律 一.热力学过程的方向性：热力学过程的方向性： 1)热传递、热传递、 2)热功转换、热功转换、3)理想气体的自由膨胀理想气体的自由膨胀 下一页 下一页下一页 上一页 上一页上一页 返回 返回返回 五.卡诺热机效率：五.卡诺热机效率： 1 2 1 1 2 1 T T Q Q = 卡 = 卡 致冷系数：致冷系数： 21 2 21 2 TT T QQ Q w = = = = 卡卡 四.致冷系数：四.致冷系数： 21 22 QQ Q A Q w = = 1 21 1 Q QQ Q A = 1 2 1
8、 Q Q = 三.热机效率：三.热机效率： 161热力学第二定律 一 热力学第二定律 一.热力学过程的方向性： 例： 热力学过程的方向性： 例：1)热传递:热自发热传递:热自发冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 2)热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的 热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的方向问题方向问题。 物体下落物体下落h 液体液体T 功功热（自发） 而无液体 热（自发） 而无液体T物
9、体上升物体上升h 具有方向性。具有方向性。 3)理想气体的自由膨胀理想气体的自由膨胀 B 真空真空 A 无阻力 自由膨胀 无阻力 自由膨胀 隔板拿掉 相反的过程未看到。说明 理想气体的自由膨胀也是有方向性的。 隔板拿掉 相反的过程未看到。说明 理想气体的自由膨胀也是有方向性的。 A A A h 下一页 下一页下一页 上一页 上一页上一页 返回 返回返回 161热力学第二定律 一 热力学第二定律 一.热力学过程的方向性： 例： 热力学过程的方向性： 例：1)热传递:热自发热传递:热自发冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 2)热功转换
10、:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的 热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的方向问题方向问题。 物体下落物体下落h 液体液体T 功功热（自发） 而无液体 热（自发） 而无液体T物体上升物体上升h 具有方向性。具有方向性。 3)理想气体的自由膨胀理想气体的自由膨胀 B 真空真空 A 无阻力 自由膨胀 无阻力 自由膨胀 隔板拿掉 相反的过程未看到。说明 理想气体的自由膨胀也是有方向性的。 隔板拿掉 相反的过程未看到。说明 理想气体的自由膨胀也是有方向性的。 A A
11、A h 或或者虽然重复，但必然者虽然重复，但必然会会 引起其他变化。引起其他变化。 二二.可逆可逆(reversuble)过程与不可逆过程过程与不可逆过程 1.定义定义 可逆过程可逆过程：系统状态变化过程中，：系统状态变化过程中， 若若逆过程能重复正过程的每一状态，而逆过程能重复正过程的每一状态，而 不引起其他的变化不引起其他的变化叫做可逆过程。叫做可逆过程。 不可逆过程：不能使逆过程重复正过程不可逆过程：不能使逆过程重复正过程 的每一状态，的每一状态， 2.可逆过程的条件：可逆过程的条件： 以气缸中活塞为例以气缸中活塞为例 系系 F外外 F 第十六章第十六章 热热力学第二定律力学第二定律(T
12、he Second 问题：问题：Law of the Thermodynamics) 1)热机热机100%? 由能量守恒定律否定。由能量守恒定律否定。 2)热机热机=100%? 即即从从单单一热源吸热，一热源吸热， 全部变为有用功，而不对外放热呢？全部变为有用功，而不对外放热呢？ 此乃第二类永动机。此乃第二类永动机。 有人算过有人算过:如果能成功，从海水中吸热，如果能成功，从海水中吸热， 只要使海水只要使海水T0.01K，其所做功，其所做功足足以以 让全世界所有工厂使用一千年。让全世界所有工厂使用一千年。 3)能否制造一种制冷能否制造一种制冷机机，不不需需外外界界做做功功， 就能使就能使Q自动
13、从低温传递给高温物体？自动从低温传递给高温物体？ 这些问题不能由热第一定律来解决。这些问题不能由热第一定律来解决。 161热力学第二定律热力学第二定律 一一.热力学过程的方向性：热力学过程的方向性： 1)热传递、热传递、 2)热功转换、热功转换、3)理想气体的自由膨胀理想气体的自由膨胀 161热力学第二定律 一 热力学第二定律 一.热力学过程的方向性：热力学过程的方向性： 1)热传递、热传递、 2)热功转换、热功转换、3)理想气体的自由膨胀理想气体的自由膨胀 下一页 下一页下一页 上一页 上一页上一页 返回 返回返回 161热力学第二定律 一 热力学第二定律 一.热力学过程的方向性： 例： 热
14、力学过程的方向性： 例：1)热传递:热自发热传递:热自发冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 冷,相反的过程 没有看到，表明：热传递具有方向性 2)热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的 热功转换:焦耳叶轮实验 热力学第二定律正是从这些问题的研 究中逐渐总结提炼出来，它实际上要 解决热力学过程的方向问题方向问题。 物体下落物体下落h 液体液体T 功功热（自发） 而无液体 热（自发） 而无液体T物体上升物体上升h 具有方向性。具有方向性。 3)理想气体的自由膨胀理想气体的自由膨胀 B 真空真空 A 无阻力 自由膨胀
15、 无阻力 自由膨胀 隔板拿掉 相反的过程未看到。说明 理想气体的自由膨胀也是有方向性的。 隔板拿掉 相反的过程未看到。说明 理想气体的自由膨胀也是有方向性的。 A A A h 若活塞无限缓慢地运动，若活塞无限缓慢地运动，而而且且略略去去活活 塞与气缸壁的摩擦塞与气缸壁的摩擦 这样气体状态变这样气体状态变化过程就可看成由一化过程就可看成由一 系列无限缓慢变化的平衡态所组成。系列无限缓慢变化的平衡态所组成。 正、逆两过程可经历相同的平衡态，正、逆两过程可经历相同的平衡态， 正、逆两过程终正、逆两过程终了时，外界环境也不了时，外界环境也不 会发生任何变化。可逆过程的条件：会发生任何变化。可逆过程的条件： 系系 有有 F: 外外 F= = 或或者虽然重复，但必然者虽然重复，但必然会会 引起其他变化。引起其他变化。 二二.可逆可逆(reversuble)过程与不可逆过程过程与不可逆过程 1.定义定义 可逆过程可逆过程：系统状态变化过程中，：系统状态变化过程中， 若若逆过程能重复正过程的每一状态，而逆过程能重复正过程的每一状态，而 不引起其他的变化不引起其他的变化叫做可逆过程。叫做可逆过程。 不可逆过程：不能使逆过程重复正过程不可逆过程：不能使逆过程重复正过程 的每一状态，的每一状态， 2.可逆过程的条件：可逆过程的条件： 以气缸中活塞为例以气缸中活塞为例 系系 F外
