《热力学第二定律卡诺定理课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学第二定律卡诺定理课件（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,满足热力学第一定律（能量守恒）的热力学过程是否都能实现？（如混合后的气体不能自动分离等）。,热力学第一定律阐明了热力学过程应满足能量守恒定律，但还有热力学过程进行的方向和限度问题：,提高热机效率有没有限制问题？,能否制造出可从单一热源吸取热量完全用来作功的热机（第二类永动机）？（不违反热力学第一定律） 20世纪40年代，有人估计将海水降低 0.1K，所获得的能量可使全世界的工厂开动1700年。,能否制造不需要外界对系统作功，就能使热量从低温物体传递给高温物体的致冷机？,一 问题的提出,2,自然过程的实例：,自然界自动进行的过程是有方向性的。,一切自然过程都是不可逆的。,例1功热转换的方向性
2、,功 热: 可自动进行（如摩擦生热、焦耳实验）,热 功: 不可自动进行（焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高）,实际经验告诉我们：在自然界中，不是所有符合热力学第一定律的过程都能发生。,3,“热自动地转换为功的过程不可能发生”。,通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的。,即：其惟一效果（指不引起其它变化）是一定量的内能（热） 全部转变为机械能（功）的过程是不可能发生的”。,热机：可以把热转变成了功，但有其它变化（热量从高温热源传给了低温热源）。,理想气体等温膨胀：把热全部变成了功，但伴随了其它变化（体积膨胀）。,例2热传导的方向性,热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反的过程却
3、不能发生。,4,例2 热传导的方向性,热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反的过程却不能发生。,“热量不可能自动地从低温物体传向高温物体”。,即：“其惟一效果（不引起其他任何变化）是热量从低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的”。,热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的。,致冷机可以将热量从低温物体传向高温物体，但这要通过外界做功（引起了其他变化）才能实现。,5,例3 气体绝热自由膨胀的方向性,初平衡态,非平衡态,末平衡态,反方向过程是不可能实现的。,气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。,“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的” （均涉及热功转换或热传导）,总之：实际自
4、然过程都是按一定的方向进行的，是不可逆的（或说相反方向可以发生，但必然产生其他后果）。,6,“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的” （均涉及热功转换或热传导）,实例：生命过程是不可逆的：,出生 童年 少年 青年 中年 老年 ？ 是不可逆！,热力学第二定律就是为了说明自然宏观不可逆的过程进行的方向的规律。,热力学第二定律有两种表述：开尔文表述和克劳修斯表述。,7,开尔文表述：其惟一效果是热全部转变为功的过程是不可能的。,或：不能制造出一种只从单一热源吸取热量，使其全部转变成功而不引起其它变化的循环工作的热机。,注意：1.开尔文说法指得是循环工作的热机。如果工作物质的不是循环过程，如等温膨
5、胀过程，是可以把从一个热源吸收的热量全部用来作功的，但要持续作功是不可能的。,2.指出第二类永动机（单热机）是不可能实现的。,播放教学片 CD4 永动机,二 热力学第二定律：,8,二 热力学第二定律：,阐明了热力学过程进行的方向。,克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传到高温物体而不引起其它的变化。,即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法不成立，另一个也必然不成立。,1. 两种表述是统一的、等效的。,说明：,9,*不可逆过程的相互依存：各种实际宏观过程的不可逆性都是相互依存（方向性都是相互沟通的）。,相互依存（相互沟通的）：一种过程的方向性存在（或消失），则另一过程的方向性
6、也存在（或消失）。,假设功变热转换的不可逆性消失，即假设热量可以自动地通过某种假想装置全部转变为功。,(a),W,可利用此假想装置做功使水温上升TT0。,相当是热量自动地从低温传到高温。即若功热转换的不可逆性消失则热量从高温传向低温的不可逆性也消失了.,10,假设热量由高温向低温的不可逆性消失了，即假设热量可以自动地通过某种假想装置从低温传向高温。,(a),Q2,低温热源T2,高温热源T1,Q1,Q2,W,可设计一卡诺热机，能自动从高温热源吸热Q1，对外做功W，并向低温热源放热Q2，使低温热源复原。,相当于从高温热源吸热Q1Q2，并全部转变为对外做功W而不引起其他任何变化,即功热转换的不可逆性
7、也消失了.,11,(c)自动收缩回复初态,假设理想气体绝热自由膨胀的不可逆性消失了，即假设气体能够自动收缩。,利用一个热源与气缸底部接触，使气缸吸热，推动活塞作等温膨胀而对外做功。 QW,然后让气体自动收缩回原体积。 再把活塞移到原位置（这一移动不做功）。,则其唯一效果是一定的热量变成了功而没有引起任何其他变化。即功变热的不可逆性消失了。,12,总之：各种宏观自然过程的不可逆性都是互相联系在一起的或者说是相互依存的，只需承认其中之一的不可逆性，便可以论证其他过程的不可逆性。,热力学第二定律是为了说明自然宏观不可逆的过程进行的方向的规律。,但是将所有宏观自然过程进行的方向一一指出是不可能的。,由
8、于各种实际自然过程的不可逆性都是相互依存的，所以只要任选一种实际过程进行的方向规律就可以了。,因此热力学第二定律只要有两种表述即可：开尔文表述和克劳修斯表述。,13,2.热力学第二定律的适用范围：,宏观过程；,对微观过程不适用。,孤立系统有限范围；,对整个宇宙不适用。,“热寂现象”,“世界末日论”,“上帝创世说”,现代天文学表明，宇宙的温度是千变万化的，有能量放射的地方，就有能量重新集结的地方，以其它形式贮存起来。,孤立系统指不受外界影响的系统。,说明：,14,三 可逆过程与不可逆过程,可逆过程: 如果系统逆过程能重复正过程的每一状态,而且不引起其他变化，则此过程叫做可逆过程 。,初态,末态,
9、（外界亦需恢复原状）,不可逆过程: 在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态的过程。,15,一切自然过程（实际宏观过程）都是不可逆过程。,原因：有摩擦损耗，涉及功热转换，而功热转换是不可逆的；,是非准静态过程，其中间态是非平衡态，涉及非平衡态向平衡态过渡的问题，这是不可逆的（例如，前面所讲的气体自由膨胀就是这样的不可逆过程）。只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。,在有传热的情况下，准静态过程还要求系统和外界在任何时刻的温差为无限小，否则传热过快会引起系统状态的不平衡。,温差无限小的热传导（称等温热传导）是有传热的可逆过程的必要条件。,16,实现可逆过程的必要条件：,. 准静循
10、环过程：系统变化过程是无限缓慢进行的；,.无能量耗散效应：如无摩擦力、粘滞力、热损耗等。,同时符合这两个条件的过程为可逆过程，不符合其中任意一个条件的过程为不可逆过程。,不可逆过程在自然界中普遍存在的，而可逆过程则是理想的。,热力学第二定律指出，一切涉及热现象的过程不仅必须满足能量守恒，并且具有方向性和局限性，即自然界的自发过程都是不可逆过程。,17,四 卡诺定理,（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机 （即经历的循环过程是可逆的），其效率都相等，与工作物质无关。,（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机 （经历的过程是不可逆循环），其效率不可能大于
11、可逆热机的效率。,以理想气体为工作物质的卡诺机为例：,由定理1得：,由定理2得：,不可逆 可逆,卡诺热机的效率是一切热机效率的最高极限。,18,五 热力学第二定律的微观意义,反映大量分子运动的无序程度变化的规律。,例1.功热转换,功 热,机械能 内能,有序运动 无序运动,可见，在功热转换的过程中，自然过程总是沿着使大量分子从有序状态向无序状态的方向进行。,例2.热传导,初态：两物体温度不同，此时尚能按分子的平均动能的大小来区分两物体。,末态：两物体温度相同，此时已不能按分子的平均动能的大小来区分两物体。,大量分子运动的无序性增大了。,19,例3.气体绝热自由膨胀,反映大量分子运动的无序程度变化
12、的规律。,初态：分子占据较小空间；,末态：分子占据较大空间。,分子的运动状态(分子的位置分布)更加无序了。,综上可见，一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,这就是自然过程方向性的微观意义。,比喻：从守纪律状态 自由散漫状态可以自动进行，相反的过程却需要加强思想教育、纪律约束。,五 热力学第二定律的微观意义,20,注意：,1.热力学第二定律是统计规律，只适用于由大量分子构成的热力学系统。,2.热力学第二定律也是自然科学中最基本而又最普遍的规律之一。,本节结束,反映大量分子运动的无序程度变化的规律。,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,五 热力学第二定律的微观意义,21,永 动 机 的 设 想 图,
