热力学第二定律-广西师范大学化学与药学学院

解释热力学第二定律
热力学第二定律是热力学中的一个基本定律，也被称为熵增定律。

它提供了一个描述自然界中热现象发生方向的规律。

热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。

克劳修斯表述，不可能将热量从低温物体自发地传递给高温物体，而不产生其他效果。

这个表述可以解释为，热量不会自发地从冷的物体转移到热的物体，而不产生其他变化。

例如，我们无法将热量从一个冷水杯中传递到一个热水杯中，而不使用外部能量（如加热器）。

开尔文表述，不可能通过一个循环过程将热量完全转化为功而不产生其他效果。

这个表述可以解释为，不可能通过一个循环过程将热量完全转化为有用的功而不产生其他变化。

换言之，不可能将热量全部转化为有用的能量，而不产生其他形式的能量损失。

热力学第二定律的核心思想是熵的增加。

熵是描述系统无序程度的物理量，热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵总是趋向于增加，而不会减少。

换句话说，自然界中的过程总是朝着更高熵（更大的无序）的方向发展。

总结来说，热力学第二定律告诉我们，热现象具有一种不可逆性，热量不会自发地从冷物体传递到热物体，而且热量无法完全转化为有用的功而不产生其他形式的能量损失。

这个定律对于理解自然界中的热现象和能量转化过程非常重要。

第7章热力学第二定律热力学第二定律，克劳修斯表述为：热量不能自发的从低温物体转移到高温物体，或者说不可能把热量从低温物体转移到高温物体而不引起其它变化；开尔文表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其它影响。

这两种表述是等效的，都是指能量自发的只能从高温处向低温处传递和转化；如果要逆向，从低温处向高温度转移或转化必须要额外做功（消耗能量）。

由此可以推导出：一个孤立系统的熵永不自动减少。

所以热力学第二定律又称熵增定律。

“熵”在热力学中指的是一个孤立系统的总混乱程度。

这是熵增定律最令人头痛的地方，这里的“混乱”不是我们常识中理解的杂乱无章的意思，它指的是一个孤立系统自发的趋向于热平衡系统，最终达到完全平均、绝对平衡的无特殊秩序的意思。

完全平均、绝对平衡本来也是一种秩序，可是这样的秩序是完全没有差别的、找不到任何信息的，跟无秩序是别无二致的，所以完全平均、绝对平衡是一种无秩序的秩序，表示的就是无特殊秩序的“泛秩序（相当于没有秩序）”。

“熵值最大”指的就是这种无秩序（混乱）的状态；而“熵”就是指未达到熵值最大前的混乱程度。

对熵增定律的解释最受到广泛认可的是“玻尔兹曼分布”，利用概率统计的方法，计算系统中的粒子各种可能的微观量子态的概率分布、概率测度或频度分布。

通过计算，系统中粒子分布的最大概率就是熵值最大，也就是完全平均、绝对平衡的热平衡状态。

玻尔兹曼分布完美的解释了熵增的过程，并且根据突现逻辑最终达到熵值最大也是必然结果。

根据玻尔兹曼分布，“熵值最大”就可以理解为一个孤立系统中能量（微观粒子）分布处于绝对平均的状态；系统中没有了位置的差异，失去了位置做功的能力，势能为零的状态。

因此，“熵”也可以理解为是消耗势能的过程，标示的就是系统势能的消耗程度。

熵增定律的前提是孤立系统，如果是开放系统，就可以将系统内部的熵增向系统外部环境释放出去，并且还有可能从外部环境吸收能量来弥补系统内部的势能损耗，从而形成一个局域性的减熵系统。

热力学第二定律对广泛存在的不可逆热力学过程的解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律。

热力学第二定律是一条经验定律，因此有许多叙述方法。

最早提出并作为标准表述的是1850年克劳修斯提出的克劳修斯表述和1851年开尔文提出的开尔文表述。

一、开尔文表述开尔文开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。

与之相应的经验事实是，功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其他影响是不可能的。

例如，但实际中热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。

热全部变为功的过程也是有的，如理想气体的等温膨胀。

但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。

开氏表述指明功变热的过程是不可逆的。

即第二类永动机不可能制成。

二、克劳修斯表述克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。

如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其他变化。

克氏表述指明热传导过程是不可逆的。

两种表述的等效性：从表面上看，热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是各自独立的，其实两者是等价的。

下面以反证法说明。

（1）如果开尔文表述不成立，可假设存在一个单源热机，它能从高温热源T1吸收热量Q1，使之全部变成功W。

将上述单源热机与一制冷机组成复合机，用单源热机输出的功W驱动制冷机，就可以使复合机成为一无功致冷机。

无功致冷机的唯一效果是将热量Q2从低温热源T2传到高温热源T1，而不引起其他变化。

因此克劳修斯表述也不成立。

（2）如果克劳修斯表述表述不成立，可假设存在一个无功致冷机，它能将热量Q2从低温热源T2传到高温热源T1，而不引起其他变化。

热力学第二定律热力学第二定律，也被称为熵增原理，是热力学中的重要概念和基本定律之一。

它描述了热量在自然界中的传递方向以及热能转化的限制性条件。

本文将对热力学第二定律进行详细阐述，并探讨其在热力学和其他学科中的应用。

一、热力学第二定律的基本原理热力学第二定律是基于观察到的自然现象提出的。

根据实验证明，热量不会主动从低温物体传递到高温物体，而是相反的。

热力学第二定律指出，自然界中热量的传递是不可逆的。

热量只能从高温物体传递到低温物体，使得系统的熵增加。

在熵增的过程中，系统内部的能量分布不断趋向于均匀化，形成了热力学过程中不可逆的“箭头”。

而熵则是度量系统有序程度的物理量，可以理解为系统的混乱程度。

熵增原理表明，在孤立系统中，熵总是呈现出增加的趋势，即系统越来越趋向于无序状态。

二、熵的定义和计算熵是热力学中的一个重要概念，它用数学形式来度量系统的无序程度。

根据统计力学的原理，我们可以通过系统微观状态的概率分布来计算熵。

熵的定义可以用如下的形式表示：S = -ΣPi * ln(Pi)其中，S表示系统的熵，Pi表示系统处于第i个微观状态的概率。

ln 表示自然对数。

通过计算系统的熵，我们可以了解系统的无序程度。

当系统处于有序状态时，熵的值较低；当系统处于无序状态时，熵的值较高。

三、熵增原理的应用熵增原理不仅仅适用于热力学领域，还广泛应用于其他学科和领域。

下面列举几个熵增原理的应用：1. 生态学中的熵增原理：生态系统也可以视为一个开放的热力学系统，能量和物质通过生态系统的内外界面进行交换。

熵增原理告诉我们，生态系统会逐渐演化为更加复杂的状态，且系统中的生物多样性会逐渐增加。

2. 经济学中的熵增原理：经济系统可以看作是一个开放的热力学系统，资源的有限性导致了经济系统的不可逆性。

熵增原理在经济学中的应用主要体现在资源配置的优化和效率提高方面。

3. 信息论中的熵增原理：信息论研究的是信息的传递和处理问题。

根据熵增原理，信息传递的过程中会产生噪声和失真，不可逆的信息损失是不可避免的。

第二章热力学第二定律§2.1 热力学第二定律2.1.1 自发过程1、物质自发变化过程的方向与限度——自发过程A、温度不同的两个物体相互接触热总是从高温物体传到低温物体，直到两物体温度相等达到平稳为止。

相反，热不会自动从低温物体传给高温物体，使温差增大。

B、气箱中充有压力不等的空气，抽去隔板空气必定从压力大的左边向压力小的右边扩散，直到整个气箱中压力相等达到平稳为止。

相反，空气不会自动地从低压向高压方向移动，使压力差增大。

C、水总是自发的从高处向低处流动，直到各处的水位相等。

相反，水绝不会自动倒流。

D、锌片投入硫酸铜溶液中，自动地发生置换反应，生成Cu和ZnSO4。

相反，其逆过程是不会自动发生。

…………以上实例说明：自然界中自动发生的过程是自然地朝着一定方向变化而趋向平衡。

结论：一切自发过程都有方向性和限度。

、自发过程特点⇨局限性：热力学不可逆性（过程）(单向，趋向平衡)区别于不可能倒着来（以上过程均可以倒着来进行，但环境必须对系统做功。

）3、自发过程的热力学不可逆性——不可逆过程Ex1. 理想气体的真空膨胀（恒温槽中），自发过程。

（1）过程L：W=0、△T=0、△U=0、Q=0；环境没有变化；系统：若要使系统复原，我们可以对系统进行等温可逆压缩L`，使系统回复到始态。

（2）过程L`：环境对系统做功W，由热力学第一定律：0=△U=Q +W∴Q= -W 系统散失了热Q。

环境：损失了功- W、得到了热-Q，总能量不变。

（3）系统经真空膨胀L和等温可逆压缩过程L`的循环后：系统：回复到始态环境：损失了功W、得到了热-Q，总能量不变。

要使环境也复原，就要：从环境（单一热源）中取出热-Q，全部转变为功W，而不留下任何痕迹（即不引起其他变化）。

——是不可能的。

∴理想气体的真空自由膨胀是热力学不可逆过程。

Ex2.高温物体自发传热给低温物体自发过程高温物体T1（环境）传给低温物体T2（系统）热量Q1，达到平衡。

热力学第二定律名词解释(一)热力学第二定律热力学第二定律是热力学的一个重要定律，它描述了能量在自发过程中的转化和传递方向。

根据热力学第二定律，任何封闭系统内部的熵（entropy）总是趋向于增加。

熵（Entropy）熵是热力学的基本概念之一，表示系统的无序程度。

熵的增加意味着能量的不可逆转转化，即能量从有序状态转化为无序状态。

例如，一个未混合的沙与盐的混合物从有序到无序的过程中，熵将会增加。

熵增定理（Law of Entropy Increase）熵增定理是热力学第二定律的一个重要推论，它指出封闭系统的熵在自发过程中总是不断增加的。

换言之，在一个孤立系统中，任何自发变化都会使系统的熵增加。

约束条件（Constraint）约束条件是指影响系统自发变化的外部限制。

封闭系统的自发过程必须满足约束条件，以确保系统熵的增加。

例如，在一个热力学系统中，温度差是一个约束条件，它驱动热量从高温区域流向低温区域，从而增加系统熵。

等熵过程（Isoentropic Process）等熵过程也被称为绝热过程，指的是没有熵变的过程。

在等熵过程中，系统的熵保持不变，也就是说，系统的无序程度保持不变。

这个过程是可逆的，例如，空气在理想条件下通过可逆绝热膨胀或压缩过程。

热力学不可逆性（Thermodynamic Irreversibility）热力学不可逆性指的是热力学过程在真实条件下无法完全逆转的性质。

热力学第二定律表明自然界中的过程都是不可逆的，因为它们导致系统熵的增加，而熵的减少是不可逆转的。

例如，热量从高温物体传递到低温物体，不可能自发地逆转。

热机效率（Thermal Efficiency）热机效率是指热机转化热能为机械能的程度，即输出的功与输入的热之比。

根据热力学第二定律，热机的效率受限于热源温度，效率不可能达到100%。

例如，内燃机的热机效率一般在30%到40%之间。

总结：热力学第二定律是热力学中的重要定律，描述了能量在自发过程中的转化和传递方向。

热力学第二定律一．熵及其物理意义1864年德国物理学家克劳修斯(Clausus)在《热之唯动论》中，首次提出熵(Entropy)的概 念：如果物体的热力学温度为T ，物体从外界吸收的热量为ΔQ ，则ΔQ ／T 就是物体的熵增ΔS ．ΔS=ΔQ ／T 的必要条件是吸热过程为可逆的平衡过程(这一条件只具有理论意义)．熵的精确定义即热力学含义为：T dQ T dQ dS dS dS irr rev g f //+=+=，式中f S 为熵流，g S 为熵产；rev dQ 为可逆过程中热源传给工质的微元热量；irr dQ 是实际过程产生的微元耗散能(摩擦生热等)；T 是工质或热源的瞬时绝对温度。

克劳休斯关于熵的概念显然是指熵流f S 。

熵的宏观意义是系统能量分布均匀性的一种量度，可以表示物体所处状态是否稳定及系统变化的方向．能量分布越均匀，熵越大，反之，则熵越小．当熵最大时，系统能量分布完全均匀而达到热平衡状态，即无温度势差，也无压力势差．在该状态下，即使系统的温度再高，也不能作功，能量无法输出，连卡诺循环都没有了。

影响系统非作功能变化的因素有：随同热量或质量迁移的非作功能以及系统内不可逆因素引起的有效能退化成的非作功能．前者使系统的非作功能可增可减，而后者总使系统的非作功能增加．当闭口系进行可逆过程时，影响系统非作功能变化的因素就只有传热，所以进行可逆过程的闭口系非作功能变化ωdA 应等于随热量迁移的非作功能q dA ω，即 ωdA =q dA ω （1）根据卡诺定理，热量的非作功能为q dA ω=re Q TT 0 （2） 由式（1）、（2）得 ωdA =re Q T T 0 或ωda =re q TT 0 （3） 式中，下标“ re ”表示可逆过程，T 为系统的温度，0T 为环境温度，令dS =T Q re 或ds =Tq re （4） 式中S 为熵，s 为比墒．上式即熵的定义式。

将式(4)代式(3)，得ωdA =dS T 0 或 ωda =ds T 0 （5）由于 )(ωωa A 是态函数，故S(s)也是状态函数．这是熵的重要性质．既然熵是状态函数，必有0=⎰T Q re 或 0=⎰T q re上式由克劳修斯根据卡诺定理首先导得，称为克劳修斯积分式．传统的熵定义式就是根据该积分式定义的．式(5)表明：系统熵变化是系统非作功能变化的量度，此即熵的宏观物理意义．二．熵的本质热力学是一种以物理学为基础的宏观唯象理论，它的基本定律描述了宏观世界的统一和普适规律．热力学第一定律是研究能量平衡的守恒定律，能量在转换过程中没有丝毫的增减．热力学第二定律则揭示了能量转换过程中质量不守恒的一般规律，它的核心是熵．一切实际热力过程必然伴随有熵产0=g S 产生，这从本质上说明了实际过程的方向性和不可逆性．统计力学中也大量涉及熵，信息论研究的中心概念也是熵．构成熵理论的方法不断深入和发展，不仅在热力学、生物学及化学领域是这样，在信息论、决策论及社会学中也是如此。