物理化学电子教案-第三章-热力学第二定律

蒸汽热机能量转化总结果：
从高温热源吸收的热（Q1），一部分对外做了功 （-W），另一部分（ Q2 ）传给了低温热源（冷 凝器）。
热机效率：指热机对外做的功与从高温热源吸收的 热量之比
W Q1 若热机不向低温热源散热，即吸收的热全部用来对 外作功，此时热机效率可达到100%，实践证明，这 样的热机—第二类永动机是根本不能实现的。
熟记四个重要热力学函数(U, H, S, G)的物理意义， 彼此之间的关系及一些简单过程△S, △G的计算。
熟练运用吉布斯－亥姆霍兹公式，克拉贝龙方程 ，克劳修斯－克拉贝龙方程式。
了解熵的统计意义和热力学第二定律的内容，掌 握规定熵值的意义， 计算和运用。
§3-1 热力学第二定律
1. 自发过程 自发过程：在自然条件（不需外力帮助）下能 够自动发生的过程； 非自发过程：自发过程的逆过程。
热功转换的方向性： 功可以全部转化为热，如钻木取火。 热转化为功却是有限制的——热机效率问题。
要想利用热对外作功必须借助一种能循环操作的 机器-热机来实现，最早的热机是18世纪发明的蒸 汽机。
蒸汽热机工作原理：利用燃料煤燃烧产生的热， 使水（工作介质）在高压锅炉内变为高温、高压 水蒸气，然后进入绝热的气缸膨胀从而对外作功 ，而膨胀后的水蒸气进入冷凝器降温并凝结为水 （向冷凝器散热过程），然后水又被泵入高压锅 炉循环使用。
但这一切外界必须付出代价，做出相应的功，而不是自 发逆转。也就是说自发过程进行后，虽然可以逆转，使系 统回复到原状，但环境必须消耗功。系统复原，但环境不 能复原。
所以一切自发过程都是不可逆的。
2. 热、功转换
热力学第二定律是人们在研究热机效率的基础 上建立起来的，所以早期的研究与热、功转换有关 。
第三章不可能把热从低Fra bibliotek 物体传到高温物体 ，而不引起其它变 化
（一）教学目标 1、理解热力学第二定律的意义，了解自发变化的共同性质 。 2、了解卡诺循环到克劳修斯原理；熵函数的引出，到克劳 修斯不等式及熵增加原理；注意在导出熵函数的过程中，公式 推导的逻辑推理。 3、建立自由能概念，掌握各种条件下过程自发性判据。 4、让学生初步掌握各种过程∆S、∆F、∆G的计算 5、掌握热力学基本公式，了解麦氏关系及其应用等。 6、明确熵的统计意义，明确第三定律的意义及在化学热力 学中的作用。 7、了解不可逆过程热力学及熵在信息学中的应用。 （二）重点、难点
❖ 热力学第二定律是实践经验的总结，反过来，它对于 指导生产实践活动具有重要的意义；
❖ 热力学第二定律关于某过程不能发生的断言是十分肯 定的。而关于某过程可能发生的断言则仅指有发生的可 能性，它不涉及速率问题；
❖ 例如，H2O的分解反应，以及氢和氧形成H2O的反应 。
第三章 热力学第二定律
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5
1. 卡诺循环
第二类永动机的不可能性说明热转化为功是有限度 的。是否有极限？卡诺发现。
3. 热力学第二定律
❖热不能自动从低温物体传给高温物体而不产生其 它变化”。 —Clausius说法
❖“不可能从单一热源吸热使之全部对外作功而不产 生其它变化”。（第二类用动机是不可能的） —Kelvin说法
Clausius说法指明高温向低温传热过程的不可逆性； Kelvin说法指明了功热转换的不可逆性。
其特征在于过程中无须外力干预即能自动进行 。 自发变化的共同特征：不可逆性(即一去不复还) 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。
例如：
(1) 水往低处流；（有势差存在）
(2) 气体向真空膨胀；（有压力差存在） (3) 热量从高温物体传入低温物体；（有温差存在） (4) 浓度不等的溶液混合均匀；（存在着浓差） (5) 锌片与硫酸铜的置换反应等，（存在着化学势差）
例：两物体的传热问题 温度不同的两个物体相接触，最后达到平衡态，两物体
具有相同的温度。但其逆过程是不可能的，即具有相同温度 的两个物体，不会自动回到温度不同的状态，尽管该逆过程 不违背热力学第一定律。
利用热力学第一定律并不能判断一定条件下什么过程不 可能进行，什么过程可能进行，进行的最大限度是什么。 要解决此类过程方向与限度的判断问题，就需要用到自 然界的另一普遍规律——热力学第二定律。 热力学第二定律是随着蒸汽机的发明、应用及热机效率 等理论研究逐步发展、完善并建立起来的。卡诺（Carnot ）、克劳修斯（Clausius）、开尔文（Kelvin）等人在热力 学第二定律的建立过程中做出了重要贡献。
说明： 各种说法一定是等效的。若克氏说法不成立，则
开氏说法也一定不成立； 要理解整个说法的完整性切不可断章取义。如不
能误解为热不能转变为功，因为热机就是一种把 热转变为功的装置；也不能认为热不能完全转变 为功，因为在状态发生变化时，热是可以完全转 变为功的（如理想气体恒温膨胀即是一例）
§3.2 卡诺循环与卡诺定理
重点：热力学第二定律，熵、熵增原理及熵判据公式，熵 变计算，亥姆霍斯函数与吉布斯函数，克劳修斯-克拉佩龙方程 的应用。
难点：熵函数引入和意义，不可逆相变过程熵变的计算， 熵判据与吉布斯函数判据在不同条件下的应用。
引言
热力学第一定律即能量转化与守恒原理； 违背热力学第一定律的变化与过程一定不能发生。 但不违背热力学第一定律过程却未必能自动发生：
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。（后果不可消 除）
不过要注意自发过程并非不可逆转，但必须外力帮助(外 界对之做功)。 例如： 用制冷机可以将热由低温物体转移到高温物体； 用压缩机可将气体由低压容器抽出，压入高压容器； 用水泵可以将水从低处打到高处。
§3.6 §3.7 §3.8
热力学第二定律 卡诺循环与卡诺定理 熵与克劳修斯不等式 熵变的计算 热力学第三定律及化学变化过程熵变的 计算 亥姆霍兹函数和吉布斯函数 热力学基本方程及麦克斯韦关系式
热力学第二定律在单组分系统相平衡中的 应用
本章学习目的
了解自发变化的共同特征，明确热力学第二定律 的意义及克劳修斯不等式的重要性。