06、热力学第二定律

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。

热力学第二定律的微分表达式
热力学第二定律的微分表达式指的是《热力学第二定律》的微积
分表达式，常用来描述系统的热力学性质。

它是物理和化学领域中非
常重要的一部分，是热力学的基础。

热力学第二定律的微分表达式是一个等式，即dS>=dQ/T，其中dS
表示系统的变化，dQ表示系统吸收或释放的热量，T表示系统的温度。

从等式可以看出，当系统状态发生变化时，热力学第二定律对这种变
化有一定的要求：系统的熵增加值不能小于系统所吸收或释放的热量
与系统温度之比。

热力学第二定律的微积分表达式具体描述起来可以有如下公式：
〖∂S〗_V= ∂Q/T
其中，V表示系统的体积，∂S表示系统熵的变化，∂Q表示系统
收热量的变化，T表示恒定的温度。

此外，热力学第二定律的微分表达式还可以写作
∂S=∂Q/T+∂V(P-T)
其中，P表示系统的压强，T表示系统的温度，V表示系统的体积，∂S表示系统熵的变化，∂Q表示系统收热量的变化。

综上所述，热力学第二定律的微分表达式是在热力学中用来描述
系统的热力学性质的重要方程，即∂S=∂Q/T或者∂S=∂Q/T+∂V(P-T)。

它告诉我们，当系统状态发生变化时，系统的熵不能小于系统所吸收
或释放的热量与系统温度之比，也就是dS>=dQ/T。

热力学第二定律的特点
热力学第二定律的特点包括以下5个方面：
1.方向性：热力学第二定律指出，自然过程的进行是有方向性的，即某些过程可以自
发的发生，而另一些过程则不能。

例如，热量可以从高温物体自发地传递到低温物体，而相反的过程则不能自发地发生。

2.不可逆性：热力学第二定律揭示了时间的箭头，即时间是单向流逝的，自然过程具
有不可逆性。

例如，一个气体分子的熵会随着时间的推移而增加，而减少熵的过程则是不可能发生的。

3.普遍性：热力学第二定律是一个普适的定律，适用于所有物质和所有物理过程。

无
论是固体、液体还是气体，无论是化学反应还是物理过程，都受到热力学第二定律的制约。

4.统计性：热力学第二定律是基于统计规律得出的，它描述的是大量粒子或分子的集
体行为。

对于单个分子或少量分子的行为，热力学第二定律并不适用。

5.热力学概率：热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵总是倾向于增加，这反映了
系统无序度的增加。

同时，系统的有序度的增加也是可能的，但需要外部的干预，例如能量的输入。

因此，热力学第二定律也反映了自然过程的“涨落”和“概率性”。

总之，热力学第二定律是物理学中的基本定律之一，它描述了自然过程的进行方式和方向，揭示了时间的箭头和不可逆性，同时也反映了物质和能量的统计性质和概率性质。

第六章热力学第二定律绪 言一、热力学第二定律的任务：判断过程进行的方向和限度。

热力学第一定律是能量守恒与转化定律（第一类永动机不能制成），那么任何违反热力学第一定律的过程都不能发生。

然而，大量事实已证明，有些不违反热力学第一定律的过程也并不能发生。

大家都知道在自然界中存在许许多多朝一定方向自发进行的自然过程，即在一定条件无需人为地施加任何外力就能自动发生的过程。

例如：(1) 水从高处流向低处，直至水面的高度相同。

(2) 气体自动地从高压区流向低压区，直至压力相等。

(3) 两个温度不同的金属棒接触，热自动的从高温棒传向低温棒，直到温度相同。

(4) 浓度不均的溶液体系会自动地变成浓度均匀一致等等。

这些过程都属于自动发生的过程，但是从来也不会自动发生上述这些过程的逆过程，即水自动从低处流向高处。

虽然这些逆过程若能发生，也并不违反热力学第一定律。

从这还看出：自发过程都具有单向性、有限性。

所以说，热力学第一定律不能告述人们过程进行的方向及限度，要解决过程的方向和限度必须依赖于热力学第二定律。

所以热力学第二定律要解决的中心任务就是如何判断过程的方向和限度问题。

学习热力学第二定律的基本路线与讨论热力学第一定律相似，先从人们在大量实验中的经验得出热力学第二定律，建立几个热力学函数S 、G 、F，再用其改变量判断过程的方向与限度。

第一节自发变化的共同特征—不可逆性对周围发生的实际过程进行研究，依据热力学第二定律说明实际过程的不可逆性。

例1: 理想气体向真空膨胀过程。

该过程是一实际发生的过程，在此过程中Q1 = 0，W1 = 0，过程发生后体系的状态发生了变化（体积增大）。

若想使体系复原可以做到，只要消耗W2的功把气体压缩回去就行。

压缩过程中，气体会传给环境与W2相等的热∣Q2∣= W2，环境能不能复原取决于热能否全部转化为功而不再引起任何其它变化。

在学习可逆过程中知道，不可逆膨胀及反向不可逆压缩时W2≠∣W1∣，而是W2 >∣W1∣。

热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的重要定律之一，它描述了热量在自然界中的传递方向。

热力学第二定律对于理解能量转化和宇宙演化具有重要意义。

在本文中，我们将探讨热力学第二定律的基本原理和应用。

1. 热力学第二定律的基本原理热力学第二定律可以从不同角度进行表述，但最为常见的是开尔文-普朗克表述和卡诺定理。

1.1 开尔文-普朗克表述开尔文-普朗克表述中，热力学第二定律可以简要地概括为“热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。

”这意味着热量的传递是不可逆的，自然趋向于热量从高温物体传递到低温物体。

1.2 卡诺定理卡诺定理是另一种常见的表述方式，它描述了理想热机的最高效率。

根据卡诺定理，任何一台工作在两个温度之间的热机的效率都不会超过理论上的最高效率，这个最高效率由热源温度和冷源温度决定。

2. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有重要的应用，下面我们将介绍几个常见的应用领域。

2.1 工程领域在工程领域中，热力学第二定律被广泛运用于热能转化系统的设计和优化。

例如，在汽车发动机中，通过合理设计燃烧过程、热能回收和废热利用等手段，可以提高发动机的效率，减少能量的浪费。

2.2 环境科学热力学第二定律的应用也涉及到环境科学领域。

例如，根据热力学第二定律的原理，热力学模型可以用于预测和评估环境中的能量传递和转化过程。

这有助于我们更好地理解和管理环境资源。

2.3 生命科学热力学第二定律在生命科学中也有广泛的应用。

生物体内的能量转化和代谢过程都受到热力学定律的限制。

通过热力学模型的建立和分析，可以深入研究生物体内能量转化的机理与调控。

3. 热力学第二定律的发展与挑战热力学第二定律的发展经历了许多里程碑，但仍然存在一些挑战和未解之谜。

3.1 热力学第二定律与时间箭头热力学第二定律与时间箭头之间的关系是一个待解之谜。

根据热力学第二定律，熵在一个封闭系统中总是增加的，即系统总是趋向于混乱状态。

然而，宇宙的演化似乎表明时间具有一个明确的方向，即宇宙从低熵状态（有序状态）向高熵状态（混乱状态）演化。

热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的一条重要定律，它描述了自然界中热能传递的方向和过程的不可逆性。

热力学第二定律即卡诺定理，这一定律的发现不仅推动了热力学的发展，也在工程和科学研究中发挥着巨大的作用。

热力学第二定律的核心思想是热能的自发从高温系统向低温系统传递，而不会相反。

这个思想在日常生活中随处可见。

当我们将一杯热茶放置在桌子上，茶的温度逐渐降低，而不会变得更热。

这个过程是不可逆的，它符合热力学第二定律的要求。

热力学第二定律的原型是卡诺定理，它由法国工程师尼古拉·卡诺在19世纪初提出。

卡诺定理表达了理想热机的效率与工作温度之间的关系。

根据卡诺定理，任何机械热机的效率都不可能高于理论上的最大值，即卡诺热机的效率。

卡诺热机是一个在两个不同温度下工作的理想热机，其效率由工作温度之间的比值决定。

这种限制性的不可逆性是热力学第二定律的核心内容，也是热力学与统计物理学的重要区别之一。

事实上，热力学第二定律的发现引发了科学家们对宇宙中热能传递过程的深入研究。

他们发现，自然界中存在着一种名为熵的物理量，它代表了系统无序程度的度量。

根据熵的增加原理，自然倾向于朝着更高熵的方向演化，这就意味着热能应该自发地从高温系统传递到低温系统，而不会相反。

熵增加原理使热力学第二定律更加深入人心，在科学研究和工程设计中得到了广泛应用。

比如，通过了解热力学第二定律，我们可以最大限度地提高能源利用效率，减少能量的浪费。

这对于提升工业生产的效益和降低环境污染具有重要意义。

在工程中，通过设计有效的热回收系统，可以将废热转化为有用的能量，实现能量的再利用。

除了工程应用外，热力学第二定律在生物学中也有深远的影响。

生命系统本质上是开放的非平衡系统，需要从外部吸收能量来维持其复杂的结构和功能。

热力学第二定律为生物学家提供了理论基础，从微观角度解释了生命现象的发生。

通过深入理解热力学第二定律，科学家能够更好地探索生物体内能量转换的机制，从而拓宽我们对生命起源和演化的认识。

热力学第二定律和热机热力学是研究能量和能量转化的科学，而热力学第二定律则是热力学中最重要的定律之一。

该定律提出了自然界中不可逆现象的存在以及能量的不可逆转化性质。

为了更好地理解热力学第二定律，我们需要先了解热机的工作原理。

热机是将热能转化为机械能的装置。

蒸汽机、内燃机和涡轮机等都是常见的热机。

这些热机中最常见的是蒸汽机，它通过水的沸腾产生蒸汽，并利用蒸汽的膨胀力推动活塞运动。

热机的工作需要依赖两个热源：高温热源和低温热源。

高温热源供应能量给热机，使其能够进行工作，而低温热源则是热机释放废热的地方。

根据热力学第二定律，不同温度的两个物体之间，热量只能从高温物体传递到低温物体，而不能反过来。

这是因为自然界中的热量总是趋向于均匀分布。

热机正是利用了这个定律，使得高温热源的能量可以转化为机械能。

然而，热力学第二定律还提出了另一个重要的观点，即热机的效率。

热机的效率定义为机械能输出与热能输入之比。

根据热力学第二定律，热机的效率不可能达到100%，也就是说，热能无法完全转化为机械能。

这是因为无论多么完美的设计和高效率的热机，总会有部分热量被传递到低温热源上，并变成废热。

这也是我们常常在使用汽车或其他机械设备时，觉得机器表面会有热气的原因。

这一观点引发了人们对能量守恒定律的思考。

根据能量守恒定律，能量是不会自行消失的，只能从一种形式转化为另一种形式。

而热力学第二定律却表明，在热机转化过程中，能量的转化是不可逆的。

这表明，自然界中的能量转化不仅仅是从高温到低温的传递，还存在一种无法逆转的性质。

除了热力学第二定律对能量转化性质的研究，该定律还具有重要的应用意义。

它为人们设计和改进热机提供了指导，通过提高热机的效率，减少能量的浪费和污染。

例如，如今的汽车引擎已经经过多年的改进，不仅在性能上有了巨大的提升，同时也更加环保和节能。

不可逆性以及对能量转化性质的研究，使热力学第二定律成为自然界中最重要的定律之一。

它揭示了能量的转化不仅仅是线性的流动，同时也给人们提供了热机效率和能源利用方面的指导。