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1、第五章 热力学第二定律 热力学第一定律是能量守恒与转换定律，即能量之间数 量的关系。 思考： 所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行？ 问题的提出: 过程进行存在方向与限度问题，即不违反热一律的过程 实际上并不一定都能实现提出热力学第二定律：阐述关 于过程进行的方向、条件和深度，其中关键在于方向。 凡是热能与机械能的转化都符合热力学第一定律. 5-1 热力学第二定律 1 自发过程的方向性 自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。 例：热量由高温物体传向低温物体； 摩擦生热；自由膨胀过程等。 Q Q ? 重物下落，水温升高; 水温下降，重物升高？ 电流通过电阻，产生热量; 对电阻
2、加热，电阻内产生反向 电流？ 水 4 不可能制造出从单一热源吸热使之全部转化为功而不留下任 何其他变化的热力发动机第二类永动机。 a）现现象机械能可以自发发的转转化为热为热 能； b）非自发传递过发传递过 程逆向过过程能够进够进 行，但需要补补充条件 ； c）机械能品位高于热热能：机械能转转化为热为热 能是自发发的， 不付任何代价，而热热能转转化为为机械能要付出代价。 2 热能与机械能的转化 5-1 热力学第二定律 归纳归纳 ：1）自发过发过 程具有方向性； 2）自发过发过 程的反方向过过程并非不可进进 行，而是要 有附加条件； 3）补偿补偿 要有一定数量，补偿补偿 量要足够够； 4）能量品位
3、有高低。 5-1 热力学第二定律 一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。 如制冷。 为提高能量利用的经济性，人们一直在最大限度地减 少补偿。 研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过 程的补偿和补偿限度等问题是热力学第二定律的任务。 5-1 热力学第二定律 3 热热二律的表述与实质实质 热热功转换转换 传传 热热 热热二律的表述有 60-70 种 1851年 开尔文普朗克表述 热热功转换转换 的角度 1850年 克劳劳修斯表述 热热量传递传递 的角度 5-1 热力学第二定律 克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不 引起其它变化。 开尔文普朗克表述：不可能从单一热源取热
4、，并使之 完全转变为有用功而不产生其它影响。 第二类永动机是不可能制造成功的。 热二律的实质：自发过程都是具有方向性的 表述与之间等价 开尔文 Lord Kelvin 18241907 英国物理学家 发明家。 原名：William Thomson，10岁时就进格拉 斯哥大学预科学习，1845年毕业于剑桥大学 ，1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学（物 理学当时的别名）教授，任职达53年之久。 18901895年任伦敦皇家学会会长。1877 年被选为法国科学院院士。1904年任格拉斯 哥大学校长， 开尔文研究范围广泛，在热学、电磁学、流体 力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方 面都做出了贡献
5、。他一生发表论文多达600余 篇，取得70种发明专利，他在当时科学界享 有极高的名望，受到英国本国和欧美各国科学 家、科学团体的推崇。他在热学、电磁学及它 们的工程应用方面的研究最为出色。 马克斯普朗克 (1858-1947) 德国物理学家 1874年至1877年，在慕尼黑大学学习物理 学和数学。1879年转到柏林大学学习。 1879年通过了博士论文，在论文中论述了 热力学第二定律。1880年在慕尼黑大学担 任物理讲师，1885年被基尔大学聘为理论 物理特约教授。 普朗克是量子力学的创始人，在1918年获 得诺贝尔物理学奖。量子力学的发展被认为 是20世纪最重要的科学发展，其重要性可 以同爱因
6、斯坦的相对论相媲美。普朗克提出 了黑体辐射定律并引入了普朗克常数。 鲁道夫克劳修斯 （Rudolf Julius Emanuel Clausius） （1822-1888） 德国物理学家、数 学家 1847年在哈雷大学主修数学和物理学的 哲学博士学位。从1850年起，曾先后任 柏林炮兵工程学院、苏黎世工业大学、维 尔茨堡大学、波恩大学物理学教授。 1855年任苏黎世工业大学教授，1867 年任德意志帝国维尔茨堡大学教授， 1869年起任波恩大学教授。 克劳修斯研究领域有分子物理、热力学、 蒸汽机理论、理论力学、数学等，是热力 学的主要奠基人之一。他重新陈述了卡诺 循环，把热理论推至一个更真实更
7、健全的 基础。1850年发表的论文首次明确指出 热力学第二定律的基本概念。并于1855 年引进了熵的概念。 证证明1、违违反开表述导导致违违反克表述 Q1 = WA + Q2 反证证法：假定违违反开表述 热热机A从单热单热 源吸热热全部作功 Q1 = WA 用热热机A带动带动 可逆制冷机B 取绝对值绝对值 Q1 -Q2= WA = Q1 Q1 -Q1 = Q2 违违反克表述 T1 热热源 AB 冷源 T2 0 T1无变变化 从T2吸热热Q2-Q2 假定Q1= Q1 T1 T2 IRR Q1Q1 Q2Q2 WIR WR 把R逆转转 -WR WIR=Q1-Q2WR=Q1-Q2 对对外作功WIR-W
8、R 违违反开表述，单热单热 源热热机 要证证明 克劳修斯的证明反证法 违违反克表述 假定：WIR=WR 若 tIR tR Q1 0 从T2吸热热Q2-Q2 向T1放热热Q1-Q1 不付代价 T1 T2 IRR Q1Q1 Q2Q2 WIR WR 把R逆转 要证证明 卡诺定理推论一 在两个不同温度的恒温热热源间间工作的一切可逆热热机， 具有相同的热热效率，且与工质质的性质质无关。 求证证： tR1 = tR2 由卡诺诺定理 T1 T2 R1R2 Q1Q1 Q2Q2 WR1WR2 tR1 tR2 tR2 tR1 只有： tR1 = tR2 tR1 = tR2= tC 与工质质无关 卡诺定理推论二 在
9、两个不同温度的恒温热热源间间工作的任何不可逆热热机， 其热热效率总总小于这这两个热热源间间工作的可逆热热机的效率。 已证证： tIR tR 证证明tIR = tR 反证证法，假定：tIR = tR 令 Q1 = Q1 则则 WIR = WR 工质质循环环、冷热热源均恢复原状，外界 无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾 。 Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0 T1 T2 IRR Q1Q1 Q2Q2 WIRWR 卡诺定理小结 （1）在两个不同 T 的恒温热热源间间工作的一切可逆热热机 tR = tC （2）多热热源间间工作的一切可逆热热机tR多 0，所以熵可反映 某种物质的共同属性。 孤立系熵增
10、原理举例 判断传热方向（T1 T2） Q T2 T1 用 不好用 用 用 不知道 用克劳修斯不等式 没有循环 孤立系熵增原理举例 取热源 T1 和 T2 为孤立系 当T1 T2可自发传热 当T1 WIR 作功能力损失 5-8 作功能力损失 R Q1 Q2 WR T T0 IR WIR Q1 Q2 R Q1 Q2 WR T T0 IR WIR Q1 Q2 R Q1 Q2 WR T T0 IR WIR Q1 Q2 R Q1 Q2 WR T T0 IR WIR Q1 Q2 R Q1 Q2 WR T T0 IR WIR Q1 Q2 由此可见，当环境的热力学温度T0确定后，作功能力的损 失 I 与孤立系统的熵增 Siso 成正比。上式建立了作功能力的损 失与孤立系统的熵增之间的关系。 孤立系统的熵增是衡量作功能力损失的尺度。 上式适用于计算任何不可逆因素引起的作功能力的损失。 例： P178 例5-10 思考题：P193-194 5-1 5-3 5-65-9 5-12 小 结 1.热力循环及正、逆向循环； 2.热二定律的表述、实质和表达式； 3.卡诺循环组成及热效率计算，卡诺定理的内容、结论及 应用； 4.孤立系统熵增原理的内涵，熵流与熵产；不可逆过程的 熵增；（火用）的概念，做功能力的损失， （火用） 平衡。 作 业 5-1 5-7 5-12 5-20
