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1、热力学第二定律,只要满足能量守恒的过程就一定能实现吗？,自然界发生的过程总是自动地向一个方向进行，而不会自动向相反方向进行。热力学第二定律的任务就是要说明热力学过程的方向性。,功热转换,自由膨胀过程,自发变化的共同特征,从实践中可以看出，自然过程有一定的规律性：如水往低处流，气体自高压处向低压处流动，物质自高浓度处向低浓度处扩散，在光照射下，氢气和氯气自动地化合成氯化氢。把在自然界中不需借助外力就能自动进行的过程，称为“自发过程”或“自然过程”。而需借助外力才能进行的过程，称为非自发过程或非自然过程。,自发变化的共同特征,自发变化的共同特征不可逆性 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。例如：
2、,(1) 焦耳热功当量中功自动转变成热；,(2) 气体向真空膨胀；,(3) 热量从高温物体传入低温物体；,(4) 浓度不等的溶液混合均匀；,(5) 锌片与硫酸铜的置换反应等，,它们的逆过程都不能自动进行。当借助外力，系统恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响。,自发变化的共同特征,非自发过程是自发过程的逆过程，但两者有本质上的差别。 自发过程都有一个共同的特点：系统具有对外作功的潜力。如安排适当，伴随着过程的进行，系统这种对外作功的能力就可以实现。,自发变化的共同特征, 不可逆性或单方向性 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。 自发过程的进行是有限度的。,世界处于永恒的运动变化之中：地壳：沧
3、海桑田人生：生老病死植物：花开花落气象：风雨雷电万事万物变化的规律是什么？,热力学第二定律,各热力学过程虽千差万别、各式各样，但他们的不可逆性却是相关联、息息相通的，而实际过程的不可逆性是它具有确定方向的根源。一切实际过程都是热力学的不可逆过程。这些不可逆过程是互相关联的，从某个自发过程的不可逆可以推断出另一个自发过程的不可逆。因此可用某种不可逆过程来概括说明其他不可逆过程，这样一个普遍原理就是热力学第二定律。热力学第二定律的几种说法是在总结众多自发过程的特点之后提出来的。,热力学第二定律,后果不可消除原理 它是自发过程不可逆性的一种较为形象的描述，其内容是：任意挑选一自发过程，指明它所产生的
4、后果不论用什么方法都不能令其消除，即不能使得发生变化的系统和环境在不留下任何痕迹的情况下恢复原状。,热力学第二定律,Kelvin表述:从单一热源取出热使之完全变成功，而不发生其它变化是不可能的。,Clausius表述：热量从低温热源自动流向高温热源而不留痕迹是不可能的.,以上几种说法是等价的，有着内在联系，可以从一种说法推论出另一种说法。,Ostward表述：第二类永动机不可能.,第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。,热力学第二定律,说明：1.各种说法一定是等效的。若克氏说法不成立，则开氏说法也一定不成立；2.要理解整个说法的完整性切不可断章取义。如不能误解为热不能转变
5、为功，因为热机就是一种把热转变为功的装置；也不能认为热不能完全转变为功，因为在状态发生变化时，热是可以完全转变为功的（如理想气体恒温膨胀即是一例）3.虽然第二类永动机并不违背能量守恒原则，但它的本质却与第一类永动机没什么区别。,热力学第二定律,以上强调“要实现这两个过程不留下影响是不可能的.” 这是热力学第二定律的精粹.与热力学第一定律一样，热力学第二定律是人类经验的总结，是从无数的实际过程中抽象出的基本规律，是在实践中检验的真理。它指出一切过程都有方向性，自然界的发展是单向、不可逆的。第二定律是高度可靠的. 至今未发现任何一件宏观事件违背了热力学第二定律.,热力学第二定律,第二定律的应用范围
6、不仅仅是化学，其它各类学科：物理、数学、天文、地理、气象、环境、生命科学、医学、农业科学、信息通讯等等均离不开第二定律.自然界的万事万物的各种运动都必须遵循热力学第二定律.热力学第二定律是自然界的根本规律.热力学第二定律只适用于有限范围内的宏观过程，不适用少量分子的微观系统，也不能推广到无限的宇宙.,卡诺循环,热机是将热能转变为功的一种机械。 一般的热机均在两个不同温度的热源之间工作(与水轮机工作原理类似), 热机从高温热源吸取热量, 但此热量不可能全部转化为功, 只能一部分转化为功, 而另一部分则成为废热传给了低温热源。常见的热机如: 蒸气机、汽轮机、燃气轮机、柴油机、汽油机等.,热机工作原
7、理图,热机效率,热机效率：,热机效率?,Watt瓦特(1736-1819,英国工程师,发明家) 发明了蒸气机。此后新问（课）题也随之产生：蒸气机的效率可以达到多少？如何改进蒸气机，提高燃料的做功能力？随后发明了多种热机，如：汽轮机、燃气轮机、柴油机、汽油机等。,启示：科技进步在解决问题的同时，可以带来新的问题。,1824年，法国工程师Carnot（卡诺）上场。,卡诺:Carnot,17961832,如何提高热机的效率，热机的效率可以达到多少？,卡诺循环,卡诺设计了一种理想热机卡诺热机, 此热机在高温热源和低温热源间工作, 其工作介质是理想气体。整个循环过程均不存在摩擦力, 卡诺热机的循环由两个
8、绝热可逆过程和两个等温可逆过程组成卡诺循环。卡诺证明了在相同两热源间工作的热机, 以卡诺热机的效率为最大, 其它任何热机的效率不可能超过卡诺热机。,理想气体的卡诺循环,过程1：等温Th可逆膨胀由(p1,V1,Th)到(p2,V2,Th)，AB。,过程2：绝热可逆膨胀由(p2,V2,Th)到(p3,V3,Tc), BC。,理想气体的卡诺循环,过程3：等温(Tc)可逆压缩由(p3,V3,Tc)到(p4,V4,Tc)，CD 。,过程4：绝热可逆压缩由(p4,V4,Tc)到(p1,V1,Th), DA。,理想气体的卡诺循环,整个循环：,Q1 0,是热机从高温热源Th所吸的热，Q3 1),一般的致冷机只
9、满足：,卡诺热机逆循环,热泵,热泵 热泵的工作原理与冷机相同，但其目的不是制冷，而是将低温热源的热（如大气、大海）用泵传至高温场所利用。例如要将温度为0室外大气中1.000kJ的热“泵”至温度为20的室内使用，则所需功为,只相当于直接用电热器加热所耗电量的十三分之一。,散热器,冷冻室,蒸发器,节流阀,储液器,压缩机,20,0,C,10atm,3atm,2,Q,Q,1,(冷冻室),(周围环境),氟利昂,家用电冰箱循环,卡诺定理,所有工作于同温热源(T2)和同温冷源(T1)之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆机的效率最大，为: = 1-T1/T2 卡诺定理的证明，热力学第一定律无能为力，需要
10、借助于热力学第二定律。证明采用反证法。,卡诺定理,证明：设任一热机 I 和一可逆卡诺热机 R 同时在高温热源 T2 和低温热源 T1 之间工作。,假定：I R。,设作为热机运转，而做出相同量的功 W 时热机 I 和可逆卡诺热机 R 分别自热源(T2)吸取热量 Q2 和 Q2 ，则,Q2 Q2,卡诺定理,卡诺热机是可逆的，将它逆转过来当成冷冻机使用。,设工作时所需功由热机 I 提供，则将两台机器联合操作时，热机 I 从热源 T2吸取热Q2 ，作了功 W，放热Q1 (Q1 = Q2 -W)给冷源T1；而可逆卡诺冷冻机从冷源T1吸热 Q1(Q1=Q2-W)，从热机接受了功W，放热 Q2 给热源 T2
11、。,卡诺定理,任意热机和可逆热机联合工作的净结果为：联合机器从低温热源T1吸取热量 (Q2- Q2)交给了高温热源T2，此外并没有引起任何其它变化。这一结论违背了克氏说法，不能成立。为了不违背第二定律，就要求任何热机的效率只能小于、最大也只能等于可逆卡诺热机的热效率，即： I R,卡诺定理,卡诺定理的数学表达式: I R “=” 表示可逆热机，“”表示不可逆热机。,卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相等，即与热机的工作物质无关。,卡诺定理的意义：（1）引入了一个不等号 I R ，原则上解决了化学反应的方向问题；（2）解决了热机效率的极限值问题。,作 业,Page 56：习题2,
