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1、热力学第二定律,能量的数量关系,第一定律将不同形式的能量在数量上联系了起来,指出不同形式的能量可以互相转换,而且在转换中数量不变。 比如:电能动能、势能、热能;热能机械能、电能等。,能量的品质关系,但在长期的生产实践中,人们发现满足第一定律的过程不一定能够实现。 也就是说,热过程是有方向性的,比如,电可以很方便地转化为热,而热要变成电就困难得多,低温物体的热量不会自动地传至高温物体。揭示热过程方向性的是第二定律。,热力学第二定律揭示:能量不但有数量之分,还有方向之别,品质之别。,电热(100) 但热/电(100) 1000的热能比100的热能更有用,更有价值。 能量的品质不能自动升高,只能自动
2、降低,理想情况是不变。 2.1 热力过程的方向性 热过程是有方向性的,是不可逆的,下面举例说明并分类。, 不等温传热过程是不可逆的,两个物体、,设,那么、接触,就有从中传出,就有流入。 第一定律指出: 但相反的过程,即放热,吸热,即使满足,也不会发生。 即低温物体热量不会自动流入高温物体,否则将会出现很多怪现象。,A TA,B TB, 自由膨胀过程是不可逆的,第一定律指出:膨胀前与后必须满足: 但相反过程,即使仍满足 ,也不可能发生, 没有谁见过气体能自动恢复一半真空的。,1,2, 功热转换过程是不可逆的,功可以自动地转换为热(注意:自发、自动) 焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动,通过摩擦使
3、功自发变为热。相反的过程不可能发生。 总之:有摩擦、电阻、磁阻、非弹性形变等耗散效应存在的过程都是不可逆的。 混合过程是不可逆的,任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的。 虽然,实际过程是不可逆的,但减小不可逆因素,过程的不可逆性就会相应减少,减少到可以忽略,过程就趋于可逆过程。,可逆过程的共同特征:,a它必须是准平衡过程。(力、热、化学平衡) b过程中不包括有摩擦、磁电阻等耗散效应。 上述不可逆过程,我们强调了不能“自动”发生,不是说不能发生,不然盐、真空、冷饮从何来? 如果要发生,外界必须提供能量、某种补偿,制冷过程就必须消耗机械作为补偿。,2.2 第二定律的表述,第二定律是大量观察、
4、无数经验总结、千百次重复没有一次例外总结出来的。 它指出:一切实际的宏观热过程都是不可逆的,具有方向性,这是热过程的基本特征。也正是第二定律要揭示的基本事实和基本规律。 由于热过程种类很多,它们的不可逆性并不是孤立的,是彼此相关的,等效的。因此,第二定律有多种表述,但它们是等效的,一种表述成立则另一种表述也必然成立。,典型说法:,克劳修斯(1850年):不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。 开尔文(1851年):不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。 普朗克:不可能制造一部机器,它在循环中把一重物升高而同时使一热源冷却。,它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影
5、响。 如果这种设想能成立,就可利用环境中无限的热能做功。 所以:第二类永动机是造不成的。,历史上还出现过违反第二定律的第二类永动机的设想(不违反第一定律),热力学不可逆性不是孤立的,一切不可逆过程是相互联系的,各种表述是等效的,它反映的是热力过程的不可逆性。 第二定律是经验定律,但没有违反之例,只有同时遵守一、二定律的过程才能发生。,第二定律有多种表述,但是等效的,一种表述成立则另一种表述也必然成立。,历史上,卡诺定理是第二定律的出发点,早在一、二定律建立之前,卡诺就在分析影响蒸汽机的功热转换的各种因素的基础上,于1824年提出了卡诺定理。但他对这个定理的证明是错误的。(依据热质说和第一类永动
6、机不能实现,前者后来被证明是错误的,后者不可能证明卡诺定理) 克劳修斯与开尔文正是从卡诺定理得到思路提出热力学第二定律的。,2.3 卡诺定理,定理一:相同热源和冷源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率,与工质无关,均等于,定理二:相同热源和冷源间工作的可逆热机的效率恒高于不可逆热机的效率。,结论:所有可逆热机效率相等,不可逆热机效率恒小于可逆热机效率。于是,所有可逆热机效率只与热源温度有关,与所使用工质无关。,2.4 卡诺循环(Carnot cycle),它是恒温热源间工作的理想可逆循环,它由个定温过程及2个可逆绝热过程构成。 原因:为使循环在吸放热过程中可逆,在吸、放热过程中,与冷热源的温差
7、为无限小,只能是等温过程。要组成循环,还需加入其它过程。这些过必须在与之间变温,所以,只能是绝热过程,因此有两条绝热线。,在图T-S图和p-V图上可表示为:,吸热量,放热量,完成功量 效率:,对卡诺循环分析可得到如下结论:1)卡诺循环效率仅与热源温度有关,而与工质和热机类型无关。2)提高和降低L,可以提高,但 , ,所以3)当时,c0(单热源热机不可能造成的),2.5 状态参数熵 第二定律有多种表述,各种表述是等效的,最根本是告诉我们,所有热过程都是不可逆的,它们的发展是有方向性的。当然,不同的热过程有不同的可逆性,但不同的可逆性不是孤立的,彼此是相互联系的,它们有共同的本质特征。因此,可用同一物理量描述这一本质特征,这个物理量就是熵。所以熵是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力学参数,它是一个状态参数。,熵的概念的简易引入方式: 功pd(可逆过程,是一个过程量) .dx(牛顿力学中) p是作功的推动力,容积变化dV是作功的标志。 而功和热都是过程的特征量(单位相同,地位相同),必有共性,所以也应有类似关系 可猜想:dS 这标明:是传热的推动力,ds是传热的标志。 那么,我们就叫为熵(状态参数),