热力学第二定律讲解

第二章热力学第二定律2.1 自发变化的共同特征自发变化某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。

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：(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，体系恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响。

2.2热力学第二定律（T h e S e c o n d L a w o f T h e r m o d y n a m i c s）克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。

”开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。

” 后来被奥斯特瓦德(Ostward)表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。

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。

2.3卡诺循环与卡诺定理2.3.1卡诺循环（C a r n o t c y c l e）1824 年，法国工程师N.L.S.Carnot (1796~1832)设计了一个循环，以理想气体为工作物质，从高温T h热源吸收Q h的热量，一部分通过理想热机用来对外做功W，另一部分Q c的热量放给低温热源T c。

这种循环称为卡诺循环.1mol 理想气体的卡诺循环在pV图上可以分为四步：过程1：等温T h 可逆膨胀由 p 1V 1到p 2V 2(AB)10U ∆= 21h 1lnV W nRT V =- h 1Q W =- 所作功如AB 曲线下的面积所示。

过程2：绝热可逆膨胀由 p 2V 2T h 到p 3V 3T c (BC)20Q = ch 22,m d T V T W U C T =∆=⎰所作功如BC 曲线下的面积所示。

热力学第二定律的深刻含义热力学第二定律是热力学中的一个重要原理，它描述了自然界中热量传递的方向性。

它有着深刻的含义，对于我们理解宇宙演化、能源利用以及环境保护等方面都有着重要的指导作用。

下面将从宏观和微观两个层面，分别解释热力学第二定律的深刻含义。

宏观层面上，热力学第二定律告诉我们热量不可能自发地从冷物体传递给热物体。

它提出了熵增原理，即孤立系统的熵（系统的无序程度）总是趋向增加的。

这意味着，自然界中的所有热力学过程都具有不可逆性，热量总是从高温物体流向低温物体，而不会反向传播。

这种不可逆性决定了自然界的演化方向。

例如，太阳照射到地球上，能量通过辐射和传导的方式传递，最终形成高温和低温两个相互作用的系统。

热力学第二定律告诉我们，能量会自发地从太阳流向地球，而不会反过来。

而在微观层面上，热力学第二定律揭示了热量传递方式中的微观粒子行为。

它指出，一个系统中的微观粒子会以一种不可逆的方式进行运动，从而导致热量自发地从高温物体传递到低温物体。

这种微观粒子行为的不可逆性决定了热力学第二定律的成立。

进一步的研究表明，高温物体的微观粒子具有较高的动能，而低温物体的微观粒子则具有较低的动能。

当高温物体与低温物体接触时，微观粒子会发生碰撞，高能量的微观粒子向低能量的微观粒子传递动能，从而导致热量的传递。

这种不可逆的微观粒子行为也是热力学第二定律深刻含义的重要体现。

总结起来，热力学第二定律的深刻含义包括：自然界中热量传递的不可逆性、熵增原理、能量从高温物体向低温物体的自发传递以及微观粒子行为的不可逆性等。

它对于我们认识能量转化和宇宙演化过程具有重要意义。

基于这一原理，我们可以更好地理解和改善能源利用，提高能源利用效率，以及推动可持续发展。

同时，热力学第二定律也提醒我们重视环境保护，避免能量浪费和环境破坏。

只有更好地理解和应用热力学第二定律，才能更好地服务于人类社会的可持续发展。

通过对热力学第二定律的深刻含义的探讨，我们不仅能够更好地理解自然界中的热力学过程，还能够引导我们在能源利用和环境保护方面做出更加明智的决策。

热力学第二定律热力学第二定律是热力学领域中的基本定律之一，它描述了自然界中的物质运动和能量转化的方向性。

本文将详细介绍热力学第二定律的概念、原理及其在热力学系统中的应用。

1. 热力学第二定律的概念热力学第二定律是指在孤立系统中，任何自发过程都会导致熵的增加，而不会导致熵的减少。

其中，孤立系统是指与外界没有物质和能量交换的系统，熵是描述系统无序程度或混乱程度的物理量。

2. 热力学第二定律的原理热力学第二定律有多种表述形式，其中最常用的是凯尔文-普朗克表述和克劳修斯表述。

2.1 凯尔文-普朗克表述凯尔文-普朗克表述认为不可能通过单一热源从热能的完全转化形式（即热量）中提取能量，并将其完全转化为功。

该表述包括两个重要概念：热机和热泵。

热机是指将热能转化为功的设备，而热泵则是将低温热源的热量转移到高温热源的设备。

2.2 克劳修斯表述克劳修斯表述认为不可能存在这样的过程：热量从低温物体自发地传递到高温物体。

这一表述可由热力学第一定律和熵的概念推导得出。

3. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在能量转化和机械工程领域具有广泛的应用。

以下将介绍几个实际应用。

3.1 热机效率根据热力学第二定律，热机的效率不可能达到100%，即不可能将一定量的热能完全转化为功。

热机的效率定义为输出功与输入热量之比，常用符号为η。

根据卡诺热机的理论，热机的最高效率与工作温度之差有关。

3.2 热力学循环过程热力学循环过程是指系统在经历一系列状态变化后，最终回到初始状态的过程。

根据热力学第二定律，热力学循环过程中所涉及的热机或热泵的效率不可能大于卡诺循环的效率。

3.3 等温膨胀过程等温膨胀过程是热力学第二定律的应用之一。

在等温膨胀过程中，系统与热源保持恒温接触，通过对外做功来改变系统的状态。

根据热力学第二定律，等温膨胀过程无法实现自发进行，必须进行外界功输入才能实现。

4. 热力学第二定律的发展和突破随着科学技术的发展，人们对热力学第二定律的认识不断深化。

热力学第二定律的理解与应用热力学第二定律是热力学基本原理之一，它描述了热能传递的不可逆性以及自然界中的一些普遍现象。

本文将深入探讨热力学第二定律的原理、应用以及它在现实生活中的意义。

一、热力学第二定律的基本原理热力学第二定律是指在孤立系统中，热量不会自发地从低温物体传递给高温物体。

这一定律可以用来解释很多自然现象，比如热流的方向、热机效率等。

根据热力学第二定律，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能反向传递。

这是因为热量传递是以熵的增加为代价的。

熵是一个描述系统混乱程度的量，它与物质的无序程度有关。

系统的熵增加意味着物质更趋向于无序状态，而热量的传递恰恰是增加了系统的熵。

二、热力学第二定律的应用热力学第二定律在工程和科学领域有着广泛的应用。

以下是其中几个重要的应用：1. 热机效率根据热力学第二定律，热机的效率受到一定的限制。

卡诺热机是满足最高效率的热机，其效率与工作温度之差有关。

利用热力学第二定律，我们可以计算出热机的最大理论效率。

2. 熵增原理熵增原理是热力学第二定律的重要推论之一。

它表明孤立系统的熵总是增加的，从而增加了系统的混乱程度。

这一原理可以应用于许多方面，比如环境保护和能源利用等。

在能源利用方面，通过最大限度地减少系统的熵增，可以提高能量利用效率。

3. 低温物体的制冷原理制冷原理是热力学第二定律的重要应用之一。

根据热力学第二定律，热量不会自发地从低温物体传递给高温物体。

这一原理被应用于制冷技术中，通过对高温物体吸热，从而使低温物体降温，实现循环制冷。

三、热力学第二定律的意义热力学第二定律是自然界存在的一个普遍规律，它对我们的生活和科学研究具有重要意义。

首先，热力学第二定律揭示了自然界的不可逆性和混乱趋势。

它帮助我们理解为什么事物在自然界中总是朝着更加无序的状态发展。

其次，热力学第二定律对于能源利用和环境保护具有指导意义。

通过最大限度地减少系统的熵增，我们可以提高能源利用效率，减少能源浪费。

第三章 热力学第二定律 本章知识要点与公式1.自发变化的不可逆性；一个自发变化发生后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响，自发变化具有方向性，是不可逆的。

2.热力学第二定律Clausius ：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。

Kelvin ：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化。

热力学第二定律表明：热转化为功是有条件的，有限度的，而功转化为热是无条件的。

3.Carnot 定律所有工作于同温热源与同温冷源之间的热机，其效率不可能超过可逆热机；所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆热机，其热机效率都相等。

4.熵（1）熵的数学表达式2pG H T T T ⎛∆⎫⎛⎫∂ ⎪ ⎪∆⎝⎭ ⎪=-∂ ⎪ ⎪⎝⎭B A R Q S T δ⎛⎫∆= ⎪⎝⎭⎰或Rδd Q S T ⎛⎫= ⎪⎝⎭ （2）Clausius 不等式d d 0Q S T =≥或d d QS T≥ 可利用不等式来判别过程的可逆性；等式表示可逆过程，不等式表示不可逆过程。

（3）熵增加原理在绝热过程中，若过程是可逆的则系统的熵是不变的，若过程是不可逆的，则系统的熵增加，绝热不可逆过程当达到平衡时，熵达到最大值。

5.熵的计算等温过程中熵的变化值（1） 理想气体等温可逆变化max R 2112ln ln W Q V pS nR nR T T V p -∆====（2） 等温等压可逆变化()()()H S T ∆∆=相变相变相变（3） 理想气体的等温等压混合过程，且符合分体积定律，mix B B Bln S R n x ∆=-∑非等温过程熵的变化值。

（4） 可逆等容，变温过程21,m d T V T nC S T T ∆=⎰ （5） 可逆等压，变温过程21,m d T p T nC S T T∆=⎰（6） 分布计算法12211221T ,m 212T 1T ,m 112T 2ln d ln d S S V S S p A C B nC V S S S nR T V T A C B nC p S S S nR T p T ∆∆''∆∆⎧⎫−−−−→−−−−→⎪⎪⎪⎪∆=∆+∆=+⎪⎪⎪⎪⎨⎬−−−−→−−−−→⎪⎪⎪⎪⎪⎪∆=∆+∆=+⎪⎪⎩⎭⎰⎰等温可逆等容可逆等温可逆等压可逆5.热力学第二定律本质：在隔离系统中，由比较有次序的状态向比较无次序的状态变化，是自发变化的方向。

热力学第二定律的实验原理热力学第二定律是热力学中的一个重要定律，它揭示了自然界中热能传递的方向，也被称为热力学箭头定律。

它具体表述为：热量自热量较高的物体传递给热量较低的物体时，不论采用怎样的途径和方法，热量都不会从热量较低的物体自发地传递给热量较高的物体。

热力学第二定律的实验原理主要可以通过实验观察热力学系统的行为来进行验证。

下面我将详细介绍几种实验原理：实验一：卡诺循环实验卡诺循环实验是验证热力学第二定律的经典实验之一。

该实验通过理想气体的循环过程来验证热力学第二定律。

实验中，首先将气体加热至高温T2的恒温热源中，然后将热源中的气体通过绝热壁与工作物体进行接触，使气体对工作物体做功，降低气体温度至低温T1的恒温热源中，最后将气体与低温热源中的气体接触，使气体吸收热量，回到初始状态。

通过实验测量和计算，可以得到卡诺循环的效率，验证了热力学第二定律。

实验二：斯特林循环实验斯特林循环实验也是验证热力学第二定律的经典实验之一。

该实验中，通过斯特林发动机进行热力学循环过程。

实验中，工作物体由活塞和气体组成，首先通过热源的加热，气体膨胀推动活塞做功，然后通过冷却装置使气体冷却，活塞复位，完成一次热力学循环。

通过实验测量和计算，可以得到斯特林循环的效率，验证了热力学第二定律。

实验三：热力学不可逆性实验热力学第二定律指出，在一个孤立系统内，熵永远不会减少。

实验中可以通过观察一些不可逆过程来验证这一定律。

例如，观察水从高温容器流向低温容器的过程，可以发现热量是从高温流向低温的，而不会反向流动。

又如观察湖的水往低处流的过程，也是熵递增的表现。

这些实验直观地验证了热力学第二定律。

总结：热力学第二定律的实验原理主要通过观察热力学系统的行为来进行验证。

实验中使用了多种实验方法，如卡诺循环实验、斯特林循环实验和观察热力学不可逆过程。

通过这些实验可以验证热力学第二定律的普适性和不可逆性。

这些实验原理的验证为热力学第二定律的应用奠定了基础，也为热力学理论的发展作出了重要贡献。

热力学第二定律与熵热力学是关于能量转换和物质转移的科学，它研究了能量与物质的性质、转换和传递规律。

热力学第二定律是热力学中最基本的定律之一，是指自然界中存在着一个不可逆的方向，即熵增加的方向。

本文将探讨热力学第二定律与熵的关系以及它们的意义。

1. 热力学第二定律的基本原理热力学第二定律是热力学的基础之一，它包含了两个基本原理：热量不会自发地从低温物体转移到高温物体，以及任何一个系统都不能在不受外界干扰的情况下自发地从无序状态转变为有序状态。

这意味着自然界中存在着一个时间箭头，从低熵（有序）状态向高熵（无序）状态演化。

2. 热力学第二定律的数学表述热力学第二定律可以用数学等式来表述，其中最著名的是克劳修斯不等式和等熵过程的熵增定理。

克劳修斯不等式表示任何一个热力学过程中，系统的熵增加大于等于传递给系统的热量与系统温度之商。

数学表达式为：ΔS≥Q/T其中，ΔS表示系统的熵增，Q表示传递给系统的热量，T表示系统的温度。

等熵过程的熵增定理指出，对于一个封闭系统，其绝热过程中的熵增为零。

这意味着在没有能量交换的情况下，系统的熵保持不变。

3. 熵与系统的无序程度熵是热力学中一个重要的概念，它可以用来描述系统的无序程度。

熵的数值越大，系统的无序程度越高。

熵的改变可以通过热量的传递和温度的变化来实现。

当热量从高温物体传递到低温物体时，系统的熵会增加；而当热量从低温物体传递到高温物体时，系统的熵会减少。

4. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在自然界的各个领域都有广泛的应用。

例如，在能源转换中，热力学第二定律告诉我们不能完全将热能转化为有用的机械能，因为在这个过程中总会有一部分热能转化为无用的热量而被散失出去。

这也是为什么制冷机和汽车发动机等热机无法达到100%的效率。

此外，热力学第二定律还与统计力学、信息论和生态学等领域有着密切的联系。

它的应用范围涉及到了从宏观的热力学系统到微观的粒子运动，从有序的晶体结构到无序的分子排列等各个方面。

第三章热力学第二定律第三章 热力学第二定律（一）主要公式及其适用条件1、热机效率1211211/)(/)(/T T T Q Q Q Q W -=+=-=η式中：Q 1及Q 2分别为工质在循环过程中从高温热源T 1所吸收的热量和向低温热源T 2所放出的热量，W 为在循环过程中热机对环境所作的功。

此式适用于在两个不同温度的热源之间所进行的一切可逆循环。

2、卡诺定理的重要结论⎩⎨⎧<=+不可逆循环可逆循环,0,0//2211T Q T Q不论是何种工作物质以及在循环过程中发生何种变化，在指定的高、低温热源之间，一切要逆循环的热温商之和必等于零，一切不可逆循环的热温商之和必小于零。

3、熵的定义式TQ dS /d r def ＝ 式中：r d Q 为可逆热，T 为可逆传热r d Q 时系统的温度。

此式适用于一切可逆过程熵变的计算。

4、克劳修斯不等式⎰⎩⎨⎧≥∆21)/d (可逆过程不可逆过程T Q S上式表明，可逆过程热温商的总和等于熵变，而不可逆过程热温商的总和必小于过程的熵变。

5、熵判据∆S (隔) = ∆S (系统) + ∆S (环境)⎩⎨⎧=>系统处于平衡态可逆过程能自动进行不可逆,,0,,0 此式适用于隔离系统。

只有隔离系统的总熵变才可人微言轻过程自动进行与平衡的判据。

在隔离系统一切可能自动进行的过程必然是向着熵增大的方向进行，绝不可能发生∆S （隔）<0的过程，这又被称为熵增原理。

6、熵变计算的主要公式⎰⎰⎰-=+==∆212121r d d d d d T p V H T V p U T Q S对于封闭系统，一切可逆过程的熵变计算式，皆可由上式导出。

（1）∆S = nC V ,m ln(T 2/T 1) + nR ln(V 2/V 1)= nC p,m ln(T 2/T 1) + nR ln(p 2/p 1)= nC V ,m ln(p 2/p 1) + nC p,m ln(V 2/V 1)上式适用于封闭系统、理想气体、C V ,m =常数、只有pVT 变化的一切过程。

热力学第二定律①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。

②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。

(1)说明①热力学第二定律是热力学的基本定律之一。

它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。

上述(1)中①的讲法是克劳修斯(Clausius)在1850年提出的。

②的讲法是开尔文于1851年提出的。

这些表述都是等效的。

在①的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。

要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。

在②的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。

热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。

第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。

．②人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。

它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。

有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。

但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的。

③从分子运动论的观点看，作功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。

显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。

热力学第二定律的意义与应用热力学是研究物质内部能量转化的一门学科，其中热力学第二定律是热力学的一条基本定律，它揭示了物质内部能量转化的规律和方向，具有重要的意义和应用。

一、热力学第二定律的意义热力学第二定律是指，在封闭系统内，不可逆过程总是使系统的熵增加，即自发性过程总是使系统的混沌程度不断增加，最终达到平衡态，而可逆过程则是使系统的熵不变。

这个定律的意义是揭示了物质内部能量转化的规律和方向，熵增是物质运动不可逆的重要表现，它是指系统内部的混沌程度增加，能量不断地流向混沌状态，而可逆过程则是指系统内部的能量转化是可逆的，能量不断地流向秩序状态。

热力学第二定律的意义在于，它限制了物质内部能量转化的方向和效率，为我们研究各种物质和物理现象提供了重要的理论依据。

此外，热力学第二定律的发现也促进了科学技术的发展，比如蒸汽机、热机、制冷技术等等，都是以热力学第二定律为基础，通过能量转化和系统熵增的规律实现的。

二、热力学第二定律的应用1.热机效率热机效率是以热力学第二定律为基础的，热机是一种将热能转化成机械能的设备，热机效率指热机所转化的热量与热机所获得的机械功之比。

热机效率的计算需要考虑热机的工作过程中的能量转化效率和系统熵增的影响，热力学第二定律揭示了热机效率受到系统熵增的限制，因此热机效率的提高需要依据热力学第二定律的规律进行优化。

2.制冷技术制冷技术也是以热力学第二定律为基础的，制冷技术是将热能从低温环境中转移到高温环境中的技术，其所遵循的法则就是热力学第二定律。

制冷机就是将热能从低温环境中吸收，并通过能量转化和熵增的过程，将其传递到高温环境中，制冷机的制冷效果和效率也是受到热力学第二定律的影响的。

3.生物学、化学、社会科学等其他领域的应用热力学第二定律的应用不仅限于物理领域，在生物学、化学、社会科学等其他领域，也使用热力学第二定律来分析和解释各种现象。

比如在生物学中，根据热力学第二定律，生物进化和发展过程中会产生熵增，从而提高生物体的复杂度和适应能力；在化学中，热力学第二定律被用来研究化学反应的熵变、反应速率等问题；在社会科学中，热力学第二定律被应用到各种社会和经济问题的研究中，比如市场竞争、人类行为的规律等等。

热力学第二定律本质
热力学第二定律是热力学中最基本的定律之一，它描述了热量的流动方向和热效率的极限。

其本质可以从不同的角度进行解释，下面将从热力学和统计物理学角度进行解释。

从热力学角度来看，热力学第二定律描述了热量的流动方向，即热量只能从高温物体流向低温物体，而不能反向流动。

这个描述表明了热量是不能自发地从低温物体流向高温物体的，它需要外界的能量输入才能实现。

从统计物理学的角度来看，热力学第二定律描述了热力学系统的熵增加原理，即热力学系统的熵总是趋向于增加，而不是减少。

这个描述表明了热力学系统的不可逆性，即任何热力学系统都会因为热量的流动而产生能量的散失和熵的增加，这些都是不可逆的过程。

总之，热力学第二定律的本质在于描述了热力学系统的不可逆性和热量的流动方向，它是热力学中最基本的定律之一，具有重要的理论和实际意义。