热力学第二第三定律.ppt

《热力学第二第三定律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学第二第三定律.ppt（36页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 27章 热力学第二定律 2020/11/5 君不见，黄河之水天上来，奔流到海 不复还， 君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝 暮成雪。 -李白 2020/11/5 2020/11/5 可逆过程与不可逆过程 2020/11/5 一 热力学第二定律的提出 1 功热转换的条件，第一定律无法说明 . 2 热传导的方向性、气体自由膨胀、物 质的混合等不可逆性问题，第一定律无法 说明 . 2020/11/5 1 开尔文说法 不可能制造出这样一种循环工作 的热机，它只使单一热源冷却来做功，而 不放出热量给其它物体，或者说不使外界 发生任何变化 . 热力学第二定律的两种表述 2020/11/5 开尔文表述图示

2、 2020/11/5 热源 1T 热机 1Q W 等温膨胀过程是从 单 一热源吸热作功， 而 不 放出热量给其它物体， 但它是非循环过程 . 1 2 ),( 11 TVp ),( 22 TVp 1p 2p 1V 2V p Vo A UTQ A 2020/11/5 低温热源 2T 高温热源 1T 卡诺热机 1Q 2Q W Vo p 2T W 1T A B C D 21 TT 卡诺循环是循环过程，但需两 个热源，且使外界发生变化 . 2020/11/5 2020/11/5 第二类永动机 1，分子热能完全转化为功 2，“无偏二极管” 2004年 光明日报 报道：中国科学院生物物理研究所研 究员徐业林

3、发明的无偏二极管 ,陆续获得了俄、英、美、 中四国的发明专利 .在不需要外加电能、化学能、太阳 能等能量的条件下 ,只要环境温度高于负 273, 该器件就能 奇迹般地输出直流电流 这将是一种取之不尽、完全没 有污染的新型能源。” 2 克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体自动传到 高温物体而不引起外界的变化 . 2020/11/5 高温热源 1T 低温热源 2T 1Q 图示： 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至 高温物体，但需外界作功且使环境发生变化 . 高温热源 1T 低温热源 2T 卡诺致冷机 1Q 2Q W Vo p 2T W 1T A B C D 21 TT 2Q 1Q 2020/11

4、/5 注 意 1 热力学第二定律是大量实验和经验 的总结 . 3 热力学第二定律可有多种说法，每 种说法都反映了自然界过程进行的方向性 . 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳 修斯说法具有等效性 . 2020/11/5 2020/11/5 2020/11/5 用热二律证明绝热线与等温线不能相交于 2点。 用热二律证明两条绝热线不能相交。 p V O A B T V p O A B T C 2020/11/5 一个热力学过程，如果其每一步都可以在相反 方向上进行，而且使系统和外界都恢复原态， 则称为 可逆过程 。 反之，如果用任何方法都不能使系统和外界都 复原，则称为 不可逆过程 。 T1 T2

5、 可逆过程与不可逆过程 2020/11/5 讨论 ： (1) 摩擦阻力及其它损失 可略时，准静态过程是可 逆过程 (2) 所谓不可逆过程，不是 说其逆过程一定不能进行， 而是说不能使系统和外界 都复原，而留有痕迹 (3) 可逆过程是一个理想的极限， 实际的宏观过程都是不可逆的 T1 T2 p V O A B A = Q T p V O A B T V1 V2 等温 A B 如 ： 等温 A B 准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩 擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量 耗散的过程 . 可逆过程的条件 2020/11/5 非 自发传热 自发传热 高温物体 低温物体 热传导 热功转换 完全 功 不

6、 完全 热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过 程都是不可逆的 . 热力学第二定律的实质 无序 有序 自发 非均匀、非平衡 均匀、平衡 自发 2020/11/5 (1) 在 相同 高温热源和低温热源之间工作 的任意工作物质的 可逆机 都具有 相同 的效 率 . 三 卡诺定理 (2) 工作在 相同 的高温热源和低温热源之 间的一切 不 可逆机的效率都 不可能 大于可 逆机的效率 . 2020/11/5 以卡诺机为例，有 ( 不可逆 机 ) （ 可逆 机 ） 1 211 21 T TTQ QQ 2020/11/5 2 2 1 1 T Q T Q 0 2 2 1 1 T Q T Q 1 21 1 2

7、1 T TT Q QQ 可逆卡诺机 四 热力学熵 如何判断 孤立 系统中过程进行的 方向 ？ 1， 熵概念的引入 2020/11/5 结论 ： 可逆卡诺循环中，热温比总和 为零 . T Q热温比 等温过程中吸收或放出 的热量与热源温度之比 . 任意的可逆循环可视为由许多可逆卡 诺循环所组成 . 2020/11/5 p o V 一微小可逆卡诺循环 0 1 1 i i i i T Q T Q 对所有微小循环求和 0 i i i T Q iQ 1 iQ 0d T Qi 时，则 结论 : 对任一可逆循环过程，热温比之 和为零 . 2020/11/5 0ddd B D AA C B T Q T Q T

8、Q 2 熵是态函数 B AAB T QSS d 可逆过程 p o V A B C D 可逆过程 ADBBDA TQTQ dd AD BAC B TQTQ dd 2020/11/5 在可逆过程中，系统从状态 A变化到状 态 B ， 其热温比的积分只决定于初末状态 而与过程无关 . 可知热温比的积分是一态函 数的增量，此态函数称为熵 (符号为 S） . 热力学系统从初态 A 变化到末态 B ， 系统熵的增量等于初态 A 和末态 B 之间任 意一可逆过程热温比（ ）的积分 . TQ/d 物理意义 2020/11/5 无限小可逆过程 T QS dd 熵的单位 J/K BAAB TQSS d 可逆过程

9、2020/11/5 二 熵变的计算 （ 1）熵是态函数，与过程无关 . 因此 , 可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而 可计算熵变 . （ 2）当系统分为几个部分时， 各部分 的熵变之和等于系统的熵变 . 2020/11/5 例 1 计算不同温度液体混合后的熵变 . 质量为 0.30 kg、温度为 的水，与质量 为 0.70 kg、 温度为 的水混合后，最后 达到平衡状态 . 试求水的熵变 . 设整个系统与 外界间无能量传递 . C90 C20 解 系统为孤立系统，混合是不可逆的 等压过程 . 为计算熵变，可假设一可逆等压 混合过程 . 2020/11/5 设平衡时水温为 ，水的定压比热容为

10、 T 113 KkgJ1018.4 pc 由能量守恒得 )K293(70.0)K363(30.0 TcTc pp K 3 1 4T 2020/11/5 K 3 1 4T 各部分热水的熵变 1 1 111 KJ 1 8 2ln dd 1 T Tcm T Tcm T QS p T Tp 1 2 222 KJ 2 0 3ln dd T Tcm T Tcm T QS p T Tp kg 3.01 m kg 7.02 m K 3 6 31 T K 2932 T 121 KJ 21 SSS 2020/11/5 三 熵增加原理： 孤立系统中的熵永不减少 . 孤立系统不可逆过程 0S 孤立系统可逆过程 0S

11、孤立系统中的可逆过程，其熵不变；孤 立系统中的不可逆过程，其熵要增加 . 0 S 2020/11/5 非平衡态 平衡态（熵增加） 不可逆过程 自发过程 熵增加原理成立的条件 : 孤立系统或 绝热过程 . 熵增加原理的应用 ：给出自发过程进 行方向的判据 . 2020/11/5 热力学第二定律亦可表述为 ： 一切自发过程总是向着熵增加的方向 进行 . 四 熵增加原理与热力学第二定律 2020/11/5 证明 理想气体绝热自由膨胀过程是不 可逆的 . 0 , 0 , 0 , 0Q W U T ),( 22 TVp),( 11 TVp 2020/11/5 在态 1和态 2之间假设 一可逆等温膨胀过程 21 dd2112 VV VVRMmTQSS 0ln 1 2 V VR M m 不可逆 1V 2V 1 2 p o V 2020/11/5