第十一章热力学第二定律

《热力学第二定律》讲义一、热力学第二定律的引入在我们生活的这个世界中，热现象无处不在。

从烧开水时的水汽蒸腾，到冬天取暖时的热量传递，热的变化和流动贯穿于我们的日常生活。

而热力学第二定律，则是用来描述热现象中能量转换和传递的重要规律。

想象一下，一个热的物体和一个冷的物体相互接触，热量会自发地从热的物体流向冷的物体，直到它们的温度相等。

但是，你有没有想过，为什么热量不会自发地从冷的物体流向热的物体呢？这就是热力学第二定律所要探讨的核心问题之一。

二、热力学第二定律的表述热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的有克劳修斯表述和开尔文表述。

克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。

开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。

为了更好地理解这两种表述，我们来举几个例子。

假如在一个封闭的房间里，有一台没有外接电源的冰箱。

如果热量能够自发地从冰箱内部的低温区传递到外部的高温环境，那么冰箱内部就会越来越冷，而房间却不会因为接收了这些热量而有任何其他变化。

但在现实中，这是不可能发生的。

再比如，有一个热机，它从高温热源吸收了一定的热量，并将其中一部分转化为有用功。

如果能够从单一热源吸收热量并完全转化为有用功，而不向低温热源排放任何热量，那么这样的热机就是“永动机”，但根据热力学第二定律，这种情况是不可能实现的。

三、热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质是揭示了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。

什么是不可逆过程呢？比如说，一滴墨水滴入一杯清水中，墨水会逐渐扩散，最终使整杯水都变得有颜色。

但是，我们不可能让这杯已经混合均匀的水自动地恢复到墨水和清水分离的状态。

再比如，一块光滑的冰块在常温下会逐渐融化成水，而这些水不会自动地再重新凝结成原来形状规则的冰块。

这些过程一旦发生，就无法自发地逆向进行，这就是不可逆过程。

而热力学第二定律正是说明了这类不可逆过程的方向性。

热力学第二定律一、 自发反应-不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程）一个自发反应发生之后，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，也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。

二、 热力学第二定律1. 热力学的两种说法：Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化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2. 文字表述： 第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热，并将所吸收的热完全转化为功）功 热 【功完全转化为热，热不完全转化为功】（无条件，无痕迹，不引起环境的改变） 可逆性：系统和环境同时复原3. 自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程）特征：（1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性；（3）对环境做功，可从自发过程获得可用功三、 卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机）ηη≤ηη （不可逆热机的效率小于可逆热机）所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关四、 熵的概念1. 在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：ηηηη+ηηηη=η 任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数2. 热温商：热量与温度的商3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η（数值上相等） 4. 熵的性质：（1）熵是状态函数，是体系自身的性质 是系统的状态函数，是容量性质（2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和（3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变（4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量（5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性（6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变（7）在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。

热力学第二定律一、自发反应—不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程）一个自发反应发生之后,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,也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。

二、热力学第二定律1.热力学的两种说法:Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化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2.文字表述：第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热,并将所吸收的热完全转化为功）功热【功完全转化为热，热不完全转化为功】(无条件,无痕迹,不引起环境的改变) 可逆性：系统和环境同时复原3.自发过程:（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程）特征：(1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性;（3)对环境做功，可从自发过程获得可用功三、卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机）（不可逆热机的效率小于可逆热机）所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机,其热机效率都相同，且与工作物质无关四、熵的概念1.在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关热温商具有状态函数的性质：周而复始数值还原从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0,则该物理量为状态函数2。

热温商：热量与温度的商3。

熵：热力学状态函数熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量（数值上相等)4。

熵的性质:（1)熵是状态函数，是体系自身的性质是系统的状态函数，是容量性质(2)熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和（3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变（4)可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量（5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性（6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变（7)在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程,系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大.若系统已处于平衡状态，则其中的任何过程一定是可逆的。

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。

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。

热力学第二定律具体内容：热力学第二定律是热力学定律之一,是指热永远都只能由热处转到冷处.热力学第二定律是描述热量的传递方向的分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能.此定律的一种常用的表达方式是,每一个自发的物理或化学过程总是向著熵（entropy）增高的方向发展.熵是一种不能转化为功的热能.熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度.高、低温度各自集中时,熵值很低；温度均匀扩散时,熵值增高.物体有秩序时,熵值低；物体无序时,熵值便增高.现在整个宇宙正在由有序趋于无序,由有规则趋于无规则,宇宙间熵的总量在增加.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.开尔文表述不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不产生其他影响.开尔文表述还可以表述成：第二类永动机不可能造成.若要简捷热能不能完全转化为机械能,只能从高温物体传到低温物体。

§10.8热力学第二定律一、热力学第二定律任务自然界中发生的过程总是有方向的。

热力学第二定律正是反映了自然界中热力学过程的方向性问题，是自然界经验的总结。

二、热力学第二定律的两种表述 1、开尔文表述（开氏表述）：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其它变化。

说明：1）前提：即工作物质必须循环动作和其它物体不发生任何变化。

2）开尔文说法是从功热转化的角度出发的，它揭示了功热转换是不可逆的，即3）开尔文表述可等价说成“第二类永动机是不可能制造出来的。

” 2、克劳修斯表述（克氏表述）：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。

注意：1）条件：“自动地”2）表明热传递的不可逆性 3、两种表述的等效性1）开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立；若开氏说法不成立，则热机可从高温热源吸收热量Q 1，全部用来对外作功A= Q 1；这个功A 可用来驱动一台致冷机，从低温热源吸收热量Q 2，同时向高温热源放出热量Q 2+ A= Q 2+ Q 1。

两者总的效果是低温热源的热量传到了高温热源，而没产生其它影响，显然违反了克劳修斯说法。

2）克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立；若克劳修斯说法不成立，即热量可自动地从低温热源传到高温热源。

考虑一台工作于高温热源与低温热源的热机。

从高温热源吸收热量Q 1，向低温热源放出热量Q 2，则Q 2能自动地传到高温热源；两者总的效果是热机把从高温热源吸收的热量全部用来对外作功，这显然违反开氏说法。

由此，可以看出热力学第二定律的表述是多种多样的，而且不同的表述是可以相互沟通的。

三、热力学第二定律的本质 1、可逆过程与不可逆过程一个热力学系统经历一个过程P ，从状态A 变到状态B ，若能使系统进行逆向变化，从状态B 又回到状态A ，且外界也同时恢复原状，我们称过程P 为可逆过程；反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则称为不可逆过程。