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1、第23章热力学第二定律第1页，共26页，编辑于2022年，星期一23.1 热机热机 致冷机致冷机一一 热机热机 热机效率热机效率Q1Q2W高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质准静态循环，工质为准静态循环，工质为理想气体，只和两个理想气体，只和两个恒温热库交换热量。恒温热库交换热量。吸热吸热Q1放热放热Q2做功做功WQ1=Q2+W热机效率热机效率（Q1,Q2为绝对值）为绝对值）第2页，共26页，编辑于2022年，星期一二二 致冷机致冷机 致冷系数致冷系数Q1Q2W高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质致冷系数致冷系数吸热吸热Q2放热放热Q1做功做功WQ1=Q2+W（Q1,Q
2、2为绝对值）为绝对值）第3页，共26页，编辑于2022年，星期一热机效率热机效率经过许多科学家为提高热机效率所做的努力最终经过许多科学家为提高热机效率所做的努力最终仍不能制造出仍不能制造出 热机的事实面前，科学热机的事实面前，科学家开始认识到，尽管该热机不违反热力学第一定家开始认识到，尽管该热机不违反热力学第一定律（能量守恒定律），但却制造不出来，表明有律（能量守恒定律），但却制造不出来，表明有些过程是不能实现的。些过程是不能实现的。23.2 热力学第二定律热力学第二定律第4页，共26页，编辑于2022年，星期一热力学第二定律的克劳修斯热力学第二定律的克劳修斯 叙述：叙述：热量不热量不能能 自
3、动地自动地 由低温物体传向高温物体。由低温物体传向高温物体。热力学第二定律的开尔文叙述：其热力学第二定律的开尔文叙述：其 唯一效果唯一效果 是热全部变成功的过程是不可能的。是热全部变成功的过程是不可能的。单热源热机是不可能制成的。单热源热机是不可能制成的。（热机的工质是做循环）（热机的工质是做循环）两种表述的等效性两种表述的等效性第5页，共26页，编辑于2022年，星期一（3）两种表述的等效性两种表述的等效性Q1-Q2T1Q2Q1A=Q1-Q2Q2Q2T2T1Q2Q1Q1+Q2AQ2T2否定克劳斯表述否定克劳斯表述必然否定开尔文表述必然否定开尔文表述否定开尔文表述否定开尔文表述必然否定克劳斯表
4、述必然否定克劳斯表述第6页，共26页，编辑于2022年，星期一只满足能量守恒的过程一定能实现吗？只满足能量守恒的过程一定能实现吗？功热转换功热转换m通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的（irreversible）；或，热不能自动转化为功；或，唯一效或，热不能自动转化为功；或，唯一效果是热全部变成功的过程是不可能的。果是热全部变成功的过程是不可能的。功热转换过程具有方向性。功热转换过程具有方向性。可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程第7页，共26页，编辑于2022年，星期一热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的；热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的；
5、或，或，热量不能自动地由低温物体传向高温物体。热量不能自动地由低温物体传向高温物体。气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀（Free expansion）气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。非平衡态到平衡态的过程是非平衡态到平衡态的过程是 不可逆的不可逆的不可逆的不可逆的自动地自动地一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。热传导热传导（Heat conduction）第8页，共26页，编辑于2022年，星期一 一个过程，如果每一步都可以在相反的一个过程，如果每一步都可以在相反的方向进行而不引起外界的任
6、何其他变化，方向进行而不引起外界的任何其他变化，该过程为可逆过程。该过程为可逆过程。可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程：用任何其他方法都不能使系统和外用任何其他方法都不能使系统和外界复原的过程。界复原的过程。可逆过程形成的条件：可逆过程形成的条件：准准静态，无摩擦。静态，无摩擦。第9页，共26页，编辑于2022年，星期一可逆过程可逆过程？尽管实际不存在，为了理论上尽管实际不存在，为了理论上分析实际过程的规律，引入理想化的概念，分析实际过程的规律，引入理想化的概念，如同如同准静态过程准静态过程 一样。一样。气体膨胀和压缩气体膨胀和压缩u无摩擦的准静态过程无摩擦的准静态过程 外界压强总比系
7、统大一外界压强总比系统大一无限小量，缓缓压缩；无限小量，缓缓压缩；假如，假如，外界压强总比系统外界压强总比系统小一小一 无限小量，缓缓膨胀。无限小量，缓缓膨胀。一个过程进行时，如果使外界条件改变一无穷小的量，这一个过程进行时，如果使外界条件改变一无穷小的量，这个过程就可以反向进行（其结果是系统和外界能同时回到个过程就可以反向进行（其结果是系统和外界能同时回到初态），则这个过程就叫做可逆过程。初态），则这个过程就叫做可逆过程。第10页，共26页，编辑于2022年，星期一系统系统T1+TT1+2TT1+3TT2系统从系统从T1到到T2 准静态过程；准静态过程；反过来，从反过来，从T2到到T1只有无
8、穷小的只有无穷小的变化。变化。等温热传导，可逆等温热传导，可逆过程的必要条件。过程的必要条件。可逆循环可逆循环热传递热传递经常忽略摩擦等，简化了实际过程，易于理论上近似处理。经常忽略摩擦等，简化了实际过程，易于理论上近似处理。第11页，共26页，编辑于2022年，星期一23.3 卡诺循环卡诺循环 卡诺定理卡诺定理一一 循环过程循环过程 U=0Q吸吸正循环正循环A0pV0Q放放逆循环逆循环A T），最大输出功是多少？），最大输出功是多少？解：解：1）可逆卡诺热机效率最高，且可逆卡诺热机效率最高，且这就是最大输出功这就是最大输出功2）工作物质工作物质Q，则热库，则热库-Q第24页，共26页，编辑于
9、2022年，星期一例：例：1mol 理想气体装在一个容器中，被绝热隔板分成相等的两理想气体装在一个容器中，被绝热隔板分成相等的两 部分（体积相等，粒子数相等），但温度分别为部分（体积相等，粒子数相等），但温度分别为 T1 和和 T2，打开绝热隔板，混合，达到平衡态，求熵的变化。打开绝热隔板，混合，达到平衡态，求熵的变化。解：解：1）设计一可逆过程，使气体温度达到平衡温度）设计一可逆过程，使气体温度达到平衡温度 T，再混合，再混合相同气体？相同气体？2）利用）利用积分得积分得对两部分分别计算，然后对两部分分别计算，然后再相加，结果相同。再相加，结果相同。不同气体混合熵不同气体混合熵第25页，共26页，编辑于2022年，星期一23.7 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义自然过程总是按有序变无序的方向进行。自然过程总是按有序变无序的方向进行。例：功热转换例：功热转换例：例：气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀涉及到大量粒子运动的有序和无序，故，热力学第二定律涉及到大量粒子运动的有序和无序，故，热力学第二定律是一条统计规律。是一条统计规律。布朗运动布朗运动有时有时4个个 粒子全部在粒子全部在A内内AB涨落大时不遵循该规律，如：涨落大时不遵循该规律，如：第26页，共26页，编辑于2022年，星期一