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热力学熵增原理与自发过程热力学是研究能量转化和宏观物质性质变化的学科，而熵增原理则是热力学的核心概念之一。
熵（entropy）是一个用来描述系统无序度的物理量，而熵增原理则指出，在孤立系统中，熵总是趋向增加的。
本文将探讨热力学熵增原理与自发过程之间的关系。
热力学熵增原理是基于热平衡态的思想发展而来的。
热平衡态是指系统各部分之间不存在温度差，也就是内部各部分之间达到了热平衡。
在热平衡态下，系统的熵是稳定的，不随时间而变化。
然而，在非平衡态下，系统的熵会随着时间不断增加，这就是熵增原理的核心内容。
以最简单的例子来说明熵增原理。
设想一个密封的容器中有两个不同温度的物体A和B，物体A比物体B的温度高。
这时，根据熵增原理，热量将会从高温物体A传递到低温物体B，使得两者的温度趋于平衡。
在这个过程中，熵的增加可以看作是系统的无序度增加。
而如果按照相反的过程，即让热量从低温物体传递到高温物体，熵就会减少，这是不符合熵增原理的。
在自然界中，所有的自发过程都是根据熵增原理进行的。
例如，当两个气体瓶内的气体通过开启阀门的方式互相混合时，熵会增加。
这是因为混合后的气体分子获得了更多的能量状态，系统的无序度增加了。
再比如，当一个杯子里的热茶慢慢冷却时，热量会从茶水传递到周围的环境中，使得茶水的温度逐渐降低。
在这个过程中，熵也是增加的，因为茶水系统的无序度增加了。
熵增原理反映了自然界的趋势，即向着更高熵的状态发展。
而高熵状态可以理解为更加无序或混乱的状态。
例如，当我们把一桶果汁倒进一个玻璃杯中，果汁从桶中的有序状态转变为杯中的无序状态，系统的熵增加了。
如果我们要将果汁从杯子倒回桶里，这就需要外界进行工作以实现，而这个过程中系统的熵是减少的。
这也是为什么倒果汁的过程是自发的，而倒回去的过程却是需要外力推动的。
总之，热力学熵增原理是描述自然界运行趋势的基本规律。
通过熵增原理，我们可以认识到自然界中无序度增加的过程是自发的，而无序度减少的过程则需要外界的干预。
热力学第二定律与过程方向的判据热力学第二定律是热力学中的一个基本定律，它描述了自然界中的一种普遍现象：热量永远不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这个定律对于我们理解自然界中的各种过程和现象具有重要意义，并且在工程和科学领域中有着广泛的应用。
在本文中，我们将探讨热力学第二定律与过程方向的判据，并分析其在现实生活中的应用。
热力学第二定律可以用来判断一个过程是否是可逆的。
可逆过程是指可以在任何时候反转方向，而不改变系统和环境的状态的过程。
根据热力学第二定律，一个过程是可逆的，当且仅当系统和环境之间的熵变为零。
熵是描述系统无序程度的物理量，熵变为零意味着系统和环境之间没有热量和物质的交换，过程可以在任何时候反转方向。
然而，在现实生活中，几乎所有的过程都是不可逆的。
不可逆过程是指无法在任何时候反转方向的过程，其特点是系统和环境之间的熵变始终大于零。
这是由热力学第二定律所规定的，热量永远不会自发地从低温物体传递到高温物体。
不可逆过程在自然界中随处可见，比如热量传导、摩擦、扩散等现象都是不可逆过程。
那么，如何判断一个过程是可逆的还是不可逆的呢？根据热力学第二定律，一个过程是不可逆的，当且仅当系统和环境之间的熵变大于零。
熵的增加可以理解为系统的无序程度增加，比如温度差的消失、能量的扩散等。
当系统和环境之间的熵变大于零时，过程是不可逆的；当熵变等于零时，过程是可逆的。
除了熵变的判据外，我们还可以通过观察能量的转化和传递来判断一个过程的方向。
根据热力学第二定律，能量在不可逆过程中总是不可避免地转化为无用的热能。
比如燃烧过程中，化学能转化为热能，但热能无法完全转化为化学能，部分热能会散失到环境中。
因此，通过观察能量的转化和传递，我们可以判断一个过程的方向。
在现实生活中，热力学第二定律与过程方向的判据有着广泛的应用。
比如在能源利用中，我们需要根据热力学第二定律判断能量转化的效率，选择合适的能源来源和能量转换方式。
此外，在工程设计中，我们也需要考虑热力学第二定律的要求，以减少能量的浪费和不必要的损失。
热力学第二定律自发变化的方向性热力学研究热量传递和能量转化的规律，其中热力学第二定律是一个基本原理，揭示了自然界中物质和能量传递的规律。
该定律提供了一个判断热现象是否自发发生的准则，即自发变化的方向性。
本文将探讨热力学第二定律自发变化的方向性以及在自然界中的应用。
热力学第二定律表达了一个重要观点：封闭系统中熵的增加是自然界中热现象发生的指示。
熵是表示物质无序程度的物理量，也可以理解为系统能量的分散程度。
热力学第二定律通过熵的概念，指出了自然界中系统趋于混乱和无序的方向性。
根据热力学第二定律，熵的增加是一个自发发生的过程。
自发变化是指不需要外界干预就会发生的变化。
在宏观尺度上，我们观察到的多数自然过程都是与熵增加相关的。
例如，热量从高温物体传递到低温物体，气体的自由扩散，液体的混合等，都是伴随熵的增加而发生的自发过程。
这些过程遵循热力学第二定律，使得系统内部的能量分布更加平均，从而增加了系统的熵。
热力学第二定律的这个观点在科学技术的各个领域都有着广泛的应用。
例如，工程领域中热机的设计和优化，需要考虑热力学第二定律对热效率的限制。
热机转化热能为机械能，包括汽车引擎、蒸汽机等。
根据热力学第二定律，热机的效率不能超过理论上的最大值，即卡诺循环的效率。
因此，工程师们需要通过改进热机的结构和工作条件，提高其效率。
另一个例子是化学反应中的自发性变化。
根据热力学第二定律，一个化学反应自发进行的条件是反应的自由能变化（ΔG）小于零。
自由能变化是化学反应在恒温、恒压下的可用能量变化。
当自由能变化为负值时，反应能够自发进行，产生化学平衡。
这个原理常常应用于工业生产中的化学反应，例如合成氨、合成尿素等。
热力学第二定律的方向性还可以解释一些自然界中的现象。
例如，热传导是热量从高温区域向低温区域传播的过程。
根据热力学第二定律，这个过程是不可逆的，因为热力学第二定律要求热量从高温区域传递到低温区域以增加系统熵。
这也解释了我们为什么感觉到热量总是从热的地方流向冷的地方。
第三章热力学第二定律在一定条件下，一个物理变化或化学变化能不能自动发生?能进行到什么程度?也就是变化的“方向”和“限度”问题，这是每个科学工作者必须回答的重要问题。
热力学第一定律只说明了当一种形式的能量转变为另一种形式的能量时，总能量是守恒的，它不能回答为什么许多不违背热力学第一定律的变化，却未必能自动发生。
如：热力学第一定律告诉我们，在一定温度下，化学反应H2(g)和O2(g)变成O(l)的过程的能量变化可用∆U（或H2∆H）来表示。
但热力学第一定律不能告诉我们：什么条件下，H2(g) 和O2 (g)能自发地变成H2O(l)什么条件下，H2O(l)自发地变成H2和O2(g)(g)以及反应能进行到什么程度⏹而一个过程能否自发进行和进行到什么程度为止（即过程的方向和限度问题），是热力学要解决的主要问题。
⏹热力学第二定律可判断过程的方向和限度。
⏹但热力学不考虑时间因素，不涉及反应速率。
3.1 自发变化⏹一.自发变化的特征⏹自发过程——在一定条件下能自动进行的过程。
⏹例如：⏹水总是自动地从高水位处向低水位处流动，直至水位相等为止。
⏹当有水位差存在时，可进行水力发电而具有对外做功的能力。
⏹气体总是自动地从高压向低压流动，直至压力相等为止。
⏹当有压力差存在时，可以通过汽轮机对外作功。
⏹气体绝不会自动地从低压态流向高压态，除非借助于压缩机。
⏹热总是自动地从高温物体传递到低温物体，直至两物体的温度相等为止。
⏹利用两个热源之间的温度差，可使热机(如蒸汽机)循环对外做功。
⏹热绝不会自动地从低温物体传向高温物体，除非借助于致冷机。
由上述例子可见，自发过程的共同特征是：⏹(1) 自发过程都是自动地、单向地趋于平衡状态，是热力学不可逆过程；⏹(2) 自发过程具有对外做功的能力；⏹(3) 要使自发过程逆向进行，环境必须消耗功。
究竟是什么因素决定了自发过程的方向和限度呢？从表面上看，各种不同的过程有着不同的决定因素，例如：i）决定热量流动方向的因素是温度；ii）决定气体流动方向的是压力；iii）决定水流动方向的是水位；iv）决定化学过程和限度的因素是什么呢？⏹因此，有必要找出一个决定一切自发过程的方向和限度的共同因素。
热力学自发过程
热力学自发过程，指的是在不需要外部干预的情况下，系统自身就能够发生的一种物理过程。
这种过程具有一定的规律和规律性，通常表现为能量的自发传递和分布的变化。
下面，我们将自发过程从以下几个方面进行讨论。
1. 自发过程的特征
热力学自发过程最显著的特征就是不需要外界施加能量或做功，系统自身就能够完成一系列的热力学变化。
这种变化符合熵增加的规律，即系统熵的增加趋势是不可逆的。
同时，自发过程的方向只能是单向的，不能逆转，这与宏观不可逆性原理是相符的。
2. 自发过程的类型
热力学自发过程包括等温过程、等压过程、等容过程等。
其中等温过程是指在恒温条件下，系统可以自发完成热力学变化；等压过程是指在恒压条件下，系统自发完成热力学变化；等容过程是指在恒容条件下，系统可以自发完成热力学变化。
不同类型的自发过程有着各自不同的特点和规律。
3. 自发过程的原因
热力学自发过程有其热力学基础和原理支持，主要是基于能量的自发传递和分布的原理。
自发过程中，能量从高处流向低处，系统自身的熵也会增加，而这个过程是不可逆的。
因此，自发过程是基于系统自然趋势的，能量分布的失衡是驱动自发过程的主要原因。
4. 自发过程的应用
热力学自发过程有着广泛的应用，特别是在工程领域中。
例如，汽车发动机的可逆循环就是基于自发过程和不可逆性原理设计的；太阳能电池的工作也是基于自发过程的原理；还有，化学反应中的自发过程也具有很多的应用价值。
总而言之，热力学自发过程是一种自然趋势，具有不可避免性和不可逆性，对于我们理解自然规律和应用于实际生产中具有重要的意义。
吉布斯自由能判据的应用条件
张德生;张卫民
【期刊名称】《安庆师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】1995(001)004
【摘要】吉布斯自由能是等温等压下判断过程方向与限度的重要热力学函数，这个判据的应用条件，一般物理化学书上都认为是等温等压，无非体积功，ΔＧＴ，ｐ≤０是自发过程方向与限度的判据，笔者依据吉布斯自由能的定义，意义，以及吉布斯先生关于自发过程，非自发过程的定义，讨论了自发过程与ΔＧＴ，Ｐ，非自发过程与ΔＧＴ，Ｐ的关系，并且用图解法进行分析，得出结论，无论有无非体积功，等温等压下，ΔＧＴ，Ｐ≤０，都是自发过程方向
【总页数】5页(P6-10)
【作者】张德生;张卫民
【作者单位】安庆师院;安庆师院
【正文语种】中文
【中图分类】O642.11
【相关文献】
1.关于吉布斯自由能判据及其应用的思考 [J], 杨永华;吴凤清
2.使用熵判据和吉布斯自由能判据时应注意的几个问题 [J], 魏怀生;
3.熵判据和吉布斯自由能判据 [J], 王泽云;刘德祥
4.吉布斯自由能方向性判据的两种推法比较 [J], 金明善;孙逊;李文佐
5.吉布斯自由能判据本质的揭示 [J], 林清枝;吴义熔
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2021从热力学第二定律到热力学判据范文 摘要：热力学第二定律可以用来判断过程的可能性（即方向性） .但对于具体的过程，判据其是否违反热力学第二定律并非易事。
在热力学中，人们通常是把热力学第二定律发展成特定体系的热力学判据。
本文主要回顾总结了热力学第二定律的提出、表述形式、数学表达式及其在具体体系中的应用。
关键词：热力学第二定律；热力学判据；熵；亥姆霍兹自由能；吉布斯自由能； Abstract: Thesecond law of thermodynamics can be used to judge if a process can occur.But it is not easy to determine whether the occurrence of a process breaks the second law of thermodynamics.In thermodynamics, the second law of thermodynamics is usually expressed as thermodynamic criterions for a particular system.This paper mainly reviews the formulation, expression form, mathematical expression and application of the second law of thermodynamics. Keyword: thesecond law of thermodynamics; thermodynamic criterions; entropy; helmholtz free energy; gibbs free energy; 热力学第一定律和热力学第二定律是人类在长期实践过程中总结出来的自然界的普遍经验定律。
热力学第一定律就是热力学中的能量守恒定律，即系统发生一个过程，其总能量是守恒的。
关于热力学自发过程及其判据的讨论郭子成;李俊新;任杰【摘要】文章指出现有各种自发过程的判据都是在指定的约束条件下才能应用，缺乏普适性是自发过程定义多样化的引发原因。
在无约束条件下将热力学第一定律代入总熵判据得出并分析讨论了总熵判据的另一种形式，结合自发过程的特点总结出了热力学变化过程中能量变化的本质，给出了自发过程的通用定义。
进一步指出原总熵判据只能分辨可逆与不可逆，不能分辨自发与非自发。
文章给出的总熵判据的另一种形式——封闭系统任意过程的做功能力判据具有分辨自发与非自发的能力。
通过理论研讨和实际应用表明，做功能力判据与总熵判据完全等价，在相应约束条件下可还原为当前热力学中各类方向判据。
填补了常见的变温过程和变压过程在以前的教科书中无自发和非自发判据的空白。
以前教科书中由于自发过程定义和解释的混乱而出现的一些疑难问题，在通用定义和做功能力判据面前都能得到满意的解答。
%Current criteria for spontaneity are used with the confined conditions. The various definitions of spontaneous change show the lack of universality. Here, the first law of thermodynamics was put in the total entropy criterion without any constraints. Then another form of entropy criterion was obtained and discussed. The nature of energy change in thermodynamics processes was summarized based on the characteristics of spontaneous process. As a result, the universal definition of spontaneous process was put forward. The original total entropy criterion can distinguish between the reversible and irreversible processes, but not the spontaneous and non-spontaneous processes. Another form of the entropy criterion, i.e., the exergy criterion for the arbitrary process in theclosed system, was proposed. This criterion can distinguish between the spontaneous and non-spontaneous processes. Through the theoretical derivation and the actual examples, we found that the exergy criterion is equivalent to the total entropy criterion. The exergy criterion can be returned to al kinds of direction criteria when using the corresponding limited conditions. In the paper, the spontaneity criteria for the processes with variable temperature or pressure were also given, which have not appeared in the current textbooks. In summary, the universal definition and the exergy criterion can solve the problems arisen from the confusing conception and explanation related to spontaneous processes.【期刊名称】《大学化学》【年(卷),期】2016(031)007【总页数】8页(P83-90)【关键词】封闭系统;任意过程;自发变化;非自发变化;做功能力;方向判据【作者】郭子成;李俊新;任杰【作者单位】河北科技大学理学院，石家庄050018;河北科技大学理学院，石家庄050018;河北科技大学理学院，石家庄050018【正文语种】中文【中图分类】O64;G64热力学第二定律是阐释自然界热力学变化过程方向与限度的基本规律，克劳修斯不等式是热力学第二定律的具体表现形式，可适用于任何热力学变化过程方向与限度的判断。
目前国内主流物理化学教科书［1-4］中给出的3个方向与限度的判据分别为：由于3个判据中都存在“自发”这一概念，因此自发过程也成为物理化学（或热力学）课程中非常重要的概念。
然而不同的教科书［1-8］中对自发过程的定义却不尽相同，甚至差别很大，这给物理化学的教学带来不便，因此一些学者对自发过程的定义及其相关判据进行讨论［13-18］。
本文就这些问题发表一些看法并提出一些教学建议。
1.1 由顾名思义引发“在自然条件下发生的过程就是自发过程”。
这样的定义简单易懂，很容易被初学者接受，但后来人们发现它并不十分准确［15］。
例如绿色植物在阳光下的光合作用，就是在自然条件下发生的，是个复杂的过程，很难从单纯的热力学角度来解释它是一个自发过程，因为过程中有光能的参与，光能被认为是非体积功的一种形式。
“自发过程的特征”是不可逆，所以“一切不可逆过程都是自发过程”。
这样的概念在很多物理化学学习者的头脑中存在过。
由于很多热力学教材在介绍热力学第二定律时从来都不明确提及非自发过程，因此这样的问题由来已久，已经困扰人们多年，不过近几年人们已经有了共识［16］：自发过程一定是不可逆过程，不可逆过程不一定都是自发过程，因为还有非自发过程。
因此有文献［19］将不可逆过程称作“能发生过程”。
能发生过程就是自然发生的或人为帮助发生的一切实际过程。
1.2 由判据引发由式（1）所示的判据告诉人们：在隔离系统中发生的一切过程都是自发的，即“一切不可逆过程都是自发过程”。
严格说来，这个自发应该是大隔离系统的，而不是实际系统的，但教材中从不明确指出。
由式（2）和式（3）可知：在恒温恒容和恒温恒压条件下，无需非体积功的帮助系统能自动进行的过程为自发过程。
在学习电化学这部分内容时，人们会感觉到前述3个判据有些问题，首先是在电池和电解过程中会有非体积功存在，但是式（2）或式（3）所示的两个判据却不能用，再者是电解过程是人们公认的非自发过程，但电解过程的总熵大于零，按式（1）所示的判据判断是自发过程，又出现了矛盾。
1.3 由实际过程的约束条件引发一个热力学过程总是在一定条件下发生的，条件不同对外力帮助的理解也会不同。
例如锌片与硫酸铜的置换反应：Zn（s）+Cu2+（aq）→Zn2+（aq）+Cu（s）在常温常压下是自发的，它的逆反应显然是不会自发的。
电解的方法可以使该逆反应发生，但须环境对系统做非体积功，这就是非自发。
环境对系统做的非体积功就是外力帮助。
对于等温等容过程，由于系统的体积不变，不可能做体积功，所以外力帮助的含义也只能是环境对系统做非体积功。
再如压力为2p0（p0为101325 Pa，也是环境压力）的理想气体在等温条件下膨胀为环境压力时是自发过程，而环境压力下的理想气体在等温条件下被外力直接压缩为2p0则是非自发过程，这时外界给予系统的压缩功就是外力帮助。
外界还可以通过输入电功带动压缩机压缩气体，这时外界的帮助又变成了非体积功。
再举一例，在常压下把一杯60°C的水放到20°C的环境中，水的降温是自发过程，而逆过程把环境温度为20°C的水升温到60°C应该是非自发过程。
此非自发过程中外界给予系统的外力帮助是什么呢？这可能要看给水升温的方式。
如果用电加热的方式给水升温，那么消耗的是非体积功，非体积功是外界给予系统的帮助；如果用燃料燃烧的方式给水升温，那么消耗的是热量，热量就是外界给予系统的帮助。
由上面的讨论可知，对于等温等压和等温等容过程，如果从环境做功的角度来定义自发过程，则可描述为：不需要环境供给非体积功就能发生的热力学过程。
但是它不适合等温变压过程，也不适合等压变温过程，因为在这两类过程中非自发过程的发生有可能是环境对于系统做体积功引起的，也有可能是环境对于系统做非体积功引起的，还可能是环境向系统输入热量引起的。
由于外力帮助的含义很复杂，所以就不适合以功的类型来定义自发过程。
另外，对于等温等容过程，自发过程还可以定义为不需要环境供给功就能发生的热力学过程，因为等容过程中不做体积功，所以此种定义与用非体积功定义是一致的。
然而这种以总功定义的自发过程并不适合于等温等压过程。
由此可知，无论用非体积功还是用总功定义自发过程都只是适用于某些特定的条件，以功的类型不可能对各种条件下的自发过程给出统一的定义。
即现有各种自发过程的判据都是在某些特殊条件下才能应用的，缺乏普适性。
因此，找寻在没有任何约束条件下的自发性判据颇为必要。
笔者以为，根据自发过程的特点找出热力学过程中能量转化的本质，同时还要找到无条件限制且能分辨出自发与非自发的判据，才能得出普适准确的自发过程定义。
什么样的变化过程是热力学自发过程呢？笔者认为可从自发过程的特点出发，从中找出本质性的东西，然后给出有普遍意义的自发过程定义，最后再通过理论和判据来考查定义的合理性。
2.1 热力学自发过程的特点与本质自发过程存在某些共同的特点，可概括为：①系统的初始状态与周围环境之间存在着某些强度性质的差别，如温度差、高度差、压力差、浓度差、电势差等，这些差别构成了过程进行的推动力；②过程向着推动力减小的方向进行，其对环境有做功的能力；③过程的最终结果是达到各自的平衡态；④在同样的条件下，如果没有环境给予新能量的帮助，反方向的变化是不能发生的。
这类变化揭示了人们所要关心的方向与限度问题，故人们把自然界的这类变化称之为自发过程。
系统在变化过程中能量守恒，系统的能量可区分为有做功能力的能量（可用能量）和无做功能力的能量（不可用能量）。
