热力学第二定律精.ppt

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1、热力学第二定律1第1页，本讲稿共95页第三章 热力学第二定律3.10 Helmholtz和Gibbs自由能3.11 变化的方向与平衡条件3.13 几个热力学函数间的关系3.12 的计算示例3.14 热力学第三定律及规定熵2第2页，本讲稿共95页 3.1自发变化的共同特征不可逆性自发变化 某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可自动进行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)热量从高温物体传入低温物体；(2)气体向真空膨胀；3第3页，本讲稿共95页 3.1自发变化的共同特征不可逆性(4)浓度不等的溶液混合均匀；它们的逆过程都不能自动进行。当借助外

2、力，系统恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响。(3)锌片与硫酸铜的置换反应等；4第4页，本讲稿共95页3.2 热力学第二定律Clausius 的说法：Kelvin 的说法：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。“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化”“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”后来被Ostward表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。5第5页，本讲稿共95页Carnot定理：Carnot定理推论：3.3Carnot定理 所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆机的效率最大。所有工作于同温热源与

3、同温冷源之间的可逆热机，其热机效率都相等，即与热机的工作物质无关。6第6页，本讲稿共95页3.4 熵的概念从Carnot循环得到的结论：对于任意的可逆循环，都可以分解为若干个小Carnot循环。Carnot循环中热效应与温度商值的加和等于零。7第7页，本讲稿共95页把任意可逆循环分成许多首尾连接的小卡诺循环 极限情况下众多小Carnot循环的总效应与任意可逆循环的封闭曲线相当 前一循环的等温可逆膨胀线就是下一循环的绝热可逆压缩线(如图所示的虚线部分)，两个绝热过程的功恰好抵消。8第8页，本讲稿共95页任意可逆循环的热温商=？所以任意可逆循环的热温商的加和等于零，或它的环程积分等于零。9第9页，

4、本讲稿共95页任意可逆过程的热温商=？用一闭合曲线代表任意可逆循环。将上式分成两项的加和 在曲线上任意取A，B两点，把循环分成AB和BA两个可逆过程。根据任意可逆循环热温商的公式：10第10页，本讲稿共95页 说明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，这个热温商具有状态函数的性质。移项得：任意可逆过程11第11页，本讲稿共95页熵的定义 Clausius根据可逆过程的热温商值决定于始终态而与过程无关这一事实定义了“熵”这个函数，用符号“S”表示，单位为：对微小变化即熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量。或设始、终态A，B的熵分别为 和 ，则：12第12页，本讲稿共95页2

5、.5 Clausius 不等式与熵增加原理Clausius 不等式 热力学第二定律的数学表达式熵增加原理13第13页，本讲稿共95页Clausius 不等式 设温度相同的两个高、低温热源间有一个可逆热机和一个不可逆热机。根据Carnot定理：则不可逆热机推广为与n个热源接触的任意不可逆过程，得：可逆热机14第14页，本讲稿共95页Clausius 不等式或 设有一个循环，为不可逆过程，为可逆过程，整个循环为不可逆循环。则有15第15页，本讲稿共95页Clausius 不等式如AB为可逆过程将两式合并得 Clausius 不等式：是实际过程的热效应，T是环境温度。若是不可逆过程，用“”号，可逆过

6、程用“=”号，这时环境与系统温度相同。16第16页，本讲稿共95页Clausius 不等式 这些都称为 Clausius 不等式，也可作为热力学第二定律的数学表达式。或对于微小变化：17第17页，本讲稿共95页熵增加原理对于绝热系统 如果是一个隔离系统，则熵增加原理可表述为：Clausius 不等式为熵增加原理：在绝热条件下，趋向于平衡的过程使系统的熵增加。即在绝热条件下，不可能发生熵减少的过程一个隔离系统的熵永不减少。18第18页，本讲稿共95页对于隔离系统若把与系统密切相关的环境部分包括在一起，作为一个隔离系统，则有：可以用来判断自发变化的方向和限度Clausius 不等式的意义“”号为自

7、发过程，“=”号为可逆过程19第19页，本讲稿共95页（1）熵是系统的状态函数，是容量性质。（3）在绝热过程中，若过程可逆则系统熵不变。若过程不可逆则系统熵增加。绝热不可逆过程向熵增加的方向进行，当达到平衡时熵达到最大值。（2）可以用Clausius不等式来判别过程的可逆性熵的特点（4）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，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。20第20页，本讲稿共95页3.6 热力学基本方程与T-S图热力学的基本方程 根据热力学第一定律若不考虑非膨胀功根据热力学第二定律所以有热力学基本方程21第21页，本讲稿共95页T-S图 及其应用根据热力学第二定律

8、系统从状态A到状态B，在T-S图上曲线AB下的面积就等于系统在该过程中的热效应。T-S图：以T为纵坐标、S为横坐标所作的表示热力学过程的图称为T-S图，或称为温-熵图。22第22页，本讲稿共95页 热机所作的功W为闭合曲线ABCDA所围的面积。图中ABCDA表示任一可逆循环。CDA是放热过程，所放之热等于CDA曲线下的面积T-S图 及其应用 ABC是吸热过程，所吸之热等于ABC曲线下的面积23第23页，本讲稿共95页 图中ABCD表示任一循环过程。EG线是高温(T1)等温线T-S图 及其应用 ABCD的面积表示循环所吸的热和所做的功(c)LH是低温（T2）等温线 ABCD代表任意循环 EGHL

9、代表Carnot 循环GN和EM是绝热可逆过程的等熵线Carnot 循环热机的效率大于任意循环热机的效率24第24页，本讲稿共95页T-S 图的优点：(1)既显示系统所作的功，又显示系统所吸取或释放的热量。p-V 图只能显示所作的功。(2)可用于变温过程来计算系统可逆过程的热效应；而根据热容计算热效应不适用于等温过程。25第25页，本讲稿共95页等温过程中熵的变化值(1)理想气体等温可逆变化 对于不可逆过程，应设计始终态相同的可逆过程来计算熵的变化值。3.7 熵变的计算26第26页，本讲稿共95页等温过程中熵的变化值(2)等温、等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计始终态相同的可逆过程）(3)理

10、想气体（或理想溶液）的等温混合过程，并符合分体积定律，即27第27页，本讲稿共95页 例1：1 mol理想气体在等温下通过：(1)可逆膨胀，(2)真空膨胀，体积增加到10倍，分别求其熵变，并判断过程的可逆性。解：（1）可逆膨胀（1）为可逆过程。28第28页，本讲稿共95页解：（2）真空膨胀（2）为不可逆过程。熵是状态函数，始终态相同熵变也相同，所以：（系统未吸热，也未做功）29第29页，本讲稿共95页例2：求下述过程熵变解：如果是不可逆相变，可以设计可逆相变求 值。已知H2O(l)在汽化时吸热显然30第30页，本讲稿共95页例3：在273 K时，将一个 的盒子用隔板一分为二，解法1求抽去隔板后

11、，两种气体混合过程的熵变？31第31页，本讲稿共95页解法232第32页，本讲稿共95页非等温过程中熵的变化值(1)物质的量一定的可逆等容、变温过程(2)物质的量一定的可逆等压、变温过程33第33页，本讲稿共95页非等温过程中熵的变化(3)物质的量一定从 到 的过程。这种情况一步无法计算，要分两步计算。有多种分步方法：1.先等温后等容2.先等温后等压*3.先等压后等容34第34页，本讲稿共95页3.9 热力学第二定律的本质和熵的统计意义 热力学第二定律的本质 功转变成热是从规则运动转化为不规则运动，混乱度增加，是自发的过程；而要将无序运动的热转化为有序运动的功就不可能自动发生。热与功转换的不可

12、逆性35第35页，本讲稿共95页气体混合过程的不可逆性 将N2和O2放在一盒内隔板的两边，抽去隔板，N2和O2自动混合，直至平衡。这是混乱度增加的过程，也是熵增加的过程，是自发的过程，其逆过程决不会自动发生。热力学第二定律的本质36第36页，本讲稿共95页 从不可逆过程的例子可以看出：一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，而熵函数可以作为系统混乱度的一种量度，这就是热力学第二定律所阐明的不可逆过程的本质。37第37页，本讲稿共95页熵和热力学概率的关系Boltzmann公式数学概率=热力学概率微观状态数的总和另外，热力学概率 和熵 S 都是热力学能U，体积 V 和粒子数 N 的函数，两者之

13、间必定有某种联系Boltzmann认为这个函数应该有如下的对数形式：Boltzmann公式k 是Boltzmann常数38第38页，本讲稿共95页为什么要定义新函数？热力学第二定律导出了熵这个状态函数，但用熵作为判据时，系统必须是隔离系统，也就是说必须同时考虑系统和环境的熵变，这很不方便。有必要引入新的热力学函数，利用系统自身状态函数的变化，来判断自发变化的方向和限度。2.8 Helmholtz自由能和Gibbs自由能39第39页，本讲稿共95页 Helmholtz自由能根据第二定律根据第一定律这是热力学第一定律和第二定律的联合公式得：将 代入得：当即系统的始、终态温度与环境温度相等40第40

14、页，本讲稿共95页 Helmholtz自由能 Helmholtz定义了一个状态函数 A 称为Helmholtz自由能(Helmholtz free energy)，是状态函数，具有容量性质。则 即：在等温过程中，封闭系统对外所作的功等于或小于系统Helmholtz自由能的减少值。41第41页，本讲稿共95页 Helmholtz自由能等号表示可逆过程，即：在等温、可逆过程中，系统对外所作的最大功等于系统Helmholtz自由能的减少值，所以把 A 称为功函（work function）。根据若是不可逆过程，系统所作的功小于A的减少值 42第42页，本讲稿共95页 Helmholtz自由能判据 如

15、果系统在等温、等容且不作其他功的条件下或 等号表示可逆过程，小于号表示是一个自发的不可逆过程，即自发变化总是朝着Helmholtz自由能减少的方向进行。这就是Helmholtz自由能判据：43第43页，本讲稿共95页 Gibbs自由能当当始、终态压力与外压相等，即 根据热力学第一定律和第二定律的联合公式得：44第44页，本讲稿共95页 Gibbs自由能 Gibbs定义了一个状态函数：G 称为Gibbs自由能是状态函数，具有容量性质。则等号表示可逆过程 即：等温、等压、可逆过程中，封闭系统对外所作的最大非膨胀功等于系统Gibbs自由能的减少值。45第45页，本讲稿共95页 Gibbs自由能 若是

16、不可逆过程，系统所作的非膨胀功小于Gibbs自由能的减少值。如果系统在等温、等压、且不作非膨胀功的条件下，或46第46页，本讲稿共95页 Gibbs自由能判据 即自发变化总是朝着Gibbs自由能减少的方向进行,这就是Gibbs自由能判据，系统不可能自动发生dG0的变化。47第47页，本讲稿共95页熵判据对于绝热系统 等号表示可逆，不等号表示不可逆，但不能判断其是否自发。因为绝热不可逆压缩过程是个非自发过程，但其熵变值也大于零。3.11变化的方向和平衡条件48第48页，本讲稿共95页对于隔离系统（保持U，V不变）在隔离系统中，如果发生一个不可逆变化，则必定是自发的，自发变化总是朝熵增加的方向进行

17、。熵判据 自发变化的结果使系统趋于平衡状态，这时若有反应发生，必定是可逆的，熵值不变。49第49页，本讲稿共95页Helmholtz自由能判据 即自发变化总是朝着Helmholtz自由能减少的方向进行，直至系统达到平衡。50第50页，本讲稿共95页Gibbs自由能判据 即自发变化总是朝着Gibbs自由能减少的方向进行,直至系统达到平衡。系统不可能自动发生dG0的变化。若有非膨胀功存在，则判据为 在不可逆的情况下，环境所做非膨胀功大于系统Gibbs自由能的增量。51第51页，本讲稿共95页2.10 G的计算示例等温物理变化中的G化学反应中的 化学反应等温式52第52页，本讲稿共95页等温物理变化

18、中的G根据G的定义式：根据具体过程，代入就可求得G值。因为G是状态函数，只要始、终态定了，可以设计可逆过程来计算G值。53第53页，本讲稿共95页等温物理变化中的G(1)等温、等压可逆相变的G因为相变过程中不作非膨胀功，54第54页，本讲稿共95页等温物理变化中的G(2)等温下，系统从改变到，设对理想气体：(适用于任何物质)P163 例题1，2P164 例题355第55页，本讲稿共95页对于化学反应设均为理想气体，在vant Hoff平衡箱中进行化学反应中的 化学反应等温式56第56页，本讲稿共95页化学反应中的 化学反应等温式57第57页，本讲稿共95页vant Hoff 等温式，也称为化学

19、反应等温式。化学反应中的 化学反应等温式是平衡常数是化学反应进度为1mol时Gibbs自由能的变化值是给定的反应始终态压力的比值58第58页，本讲稿共95页化学反应中的 化学反应等温式反应正向进行反应处于平衡状态反应不能正向进行反应有可能逆向进行59第59页，本讲稿共95页3.13 几个热力学函数间的关系 基本公式 特性函数 Maxwell 关系式的应用 Gibbs 自由能与温度的关系 Gibbs-Helmholtz方程 Gibbs 自由能与压力的关系60第60页，本讲稿共95页基本公式(2)Helmholz 自由能定义式。在等温、可逆条件下，它的降低值等于系统所做的最大功。(1)焓的定义式。

20、在等压、的条件下，。61第61页，本讲稿共95页几个函数的定义式(3)Gibbs 自由能定义式。在等温、等压、可逆条件下，它的降低值等于系统所做的最大非膨胀功。或62第62页，本讲稿共95页几个热力学函数之间关系的图示式63第63页，本讲稿共95页四个基本公式(1)这个公式是热力学能U=U（S，V）的全微分表达式，只有两个变量，但要保持系统组成不变。若系统内发生相变或化学变化，就要增加组成变量，所以这公式只适用于内部平衡的、只有体积功的封闭系统。64第64页，本讲稿共95页因为所以(2)65第65页，本讲稿共95页四个基本公式因为(3)所以66第66页，本讲稿共95页四个基本公式(4)因为所以

21、67第67页，本讲稿共95页从基本公式导出的关系式(1)(2)(3)(4)从公式(1),(2)导出从公式(1),(3)导出从公式(2),(4)导出从公式(3),(4)导出68第68页，本讲稿共95页特性函数 对于U，H，S，A，G 等热力学函数，只要其独立变量选择适当，就可以从一个已知的热力学函数求得所有其它热力学函数，从而可以把一个热力学系统的平衡性质完全确定下来。这个已知函数就称为特性函数，所选择的独立变量就称为该特性函数的特征变量。常用的特征变量为：69第69页，本讲稿共95页特性函数 例如，从特性函数G及其特征变量T，p，求H，U，A，S等函数的表达式。导出：70第70页，本讲稿共95

22、页特性函数对于理想气体，等温时，将该式代入上述各热力学关系式，就可以得到理想气体各状态函数以T，p为变量的具体表达式。71第71页，本讲稿共95页特性函数 当特征变量保持不变，特性函数的变化值可以用作判据。因此，对于组成不变、不做非膨胀功的封闭系统，可用作判据的有：用得多 用得少72第72页，本讲稿共95页Maxwell 关系式及其应用全微分的性质设函数 z 的独立变量为x，y所以z具有全微分性质73第73页，本讲稿共95页 利用该关系式可将实验可测偏微商来代替那些不易直接测定的偏微商。热力学函数数学上具有全微分性质(1)(2)(3)(4)将 关系式用到四个基本公式中，就得到Maxwell关系

23、式：74第74页，本讲稿共95页（1）求U随V的变化关系Maxwell 关系式的应用已知基本公式等温对V求偏微分75第75页，本讲稿共95页Maxwell 关系式的应用不易测定，根据Maxwell关系式所以只要知道气体的状态方程，就可得到 值，即等温时热力学能随体积的变化值。76第76页，本讲稿共95页Maxwell 关系式的应用对理想气体，77第77页，本讲稿共95页（2）求H 随 p 的变化关系已知基本公式等温对p求偏微分不易测定，据Maxwell关系式所以只要知道气体的状态方程，就可求得 值，即等温时焓随压力的变化值。78第78页，本讲稿共95页Maxwell 关系式的应用对理想气体，7

24、9第79页，本讲稿共95页 Gibbs自由能与温度的关系 Gibbs-Helmholtz方程用来从一个反应温度的 (或 )求另一反应温度时的 (或 ）根据基本公式等温时则80第80页，本讲稿共95页所以GibbsHelmholtz方程的一种形式81第81页，本讲稿共95页在等式两边各除以T，GibbsHelmholtz方程的另一种形式左边就是 对 T 微商的结果，即82第82页，本讲稿共95页对上式进行移项积分作不定积分,得式中 I 为积分常数使用上式时，需要知道 与T的关系后再积分 83第83页，本讲稿共95页代入 与T 关系式，进行积分已知式中 为积分常数，可从热力学数据表求得如果知道某一

25、温度的 ，就可计算积分常数I 就可以得到 的值84第84页，本讲稿共95页Gibbs-Helmholtz方程 同理，对于Helmholtz自由能，其Gibbs-Helmholtz 公式的形式为：85第85页，本讲稿共95页Gibbs自由能与压力的关系已知对于理想气体移项积分将温度为T、在标准压力下的纯物作为标准态86第86页，本讲稿共95页3.14 热力学第三定律与规定熵热力学第三定律规定熵值化学反应过程的熵变计算87第87页，本讲稿共95页热力学第三定律Nernst热定理（Nernst heat theorem)1906年，Nernst经过系统地研究了低温下凝聚系统的反应，提出了一个假定，即

26、Nernst热定理的数学表达式文字可表述为：在温度趋近于0K的等温过程中，系统的熵值不变。88第88页，本讲稿共95页热力学第三定律Planck的假定只适用于完整晶体(只有一种排列方式)。在1912年，Planck把热定理推进了一步，他假定：在热力学温度0 K时，纯凝聚物的熵值等于零，即：所以，热力学第三定律可表示为：“在0 K时，任何完整晶体的熵等于零。”89第89页，本讲稿共95页规定熵值(conventional entropy)规定在0K时完整晶体的熵值为零，从0K到温度T进行积分，这样求得的熵值称为规定熵。若0K到T之间有相变，则积分不连续。已知若90第90页，本讲稿共95页用积分法

27、求熵值（1）用积分法求熵值 以 为纵坐标，T为横坐标，求某物质在40K时的熵值。如图所示：阴影下的面积，就是所要求的该物质的规定熵。91第91页，本讲稿共95页固态液态气态熔点沸点 图中阴影下的面积加上两个相变熵即为所求的熵值。如果要求某物质在沸点以上某温度T时的熵变，则积分不连续，要加上在熔点（Tf）和沸点（Tb）时的相应熵，其积分公式可表示为：92第92页，本讲稿共95页 由于在极低温度时缺乏 的数据，故可用Debye公式来计算：式中 是物质的特性温度在极低温度时，式中 是晶体中粒子的简正振动频率熵变的公式为两项，第一项需借助Debye公式计算93第93页，本讲稿共95页化学反应过程的熵变计算(1)在标准压力下，298.15 K时，根据各物质的标准摩尔熵值可以计算反应进度为1 mol时反应的熵变值。(2)在标准压力下，求反应温度T时的熵变值。298.15K时的熵变值从查表得到：P180 例题94第94页，本讲稿共95页化学反应过程的熵变计算(3)在298.15 K时，求反应压力为p时的熵变。标准压力下的熵变值查表可得(4)从可逆电池的热效应 或从电动势随温度的变化率求电池反应的熵变95第95页，本讲稿共95页