热力学第二定律卡诺定理.ppt

第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理l 满足热力学第一定律（能量守恒）的热力学过程是满足热力学第一定律（能量守恒）的热力学过程是否都能实现？否都能实现？（如混合后的气体不能自动分离等）。（如混合后的气体不能自动分离等）。热力学第一定律阐明了热力学过程应满足能热力学第一定律阐明了热力学过程应满足能量守恒定律，但还有热力学过程进行的方向和限量守恒定律，但还有热力学过程进行的方向和限度问题：度问题：l 提高热机效率有没有限制问题？提高热机效率有没有限制问题？l 能否制造出可从单一热源吸取热量完全用来作功的能否制造出可从单一热源吸取热量完全用来作功的热机（第二类永动机）？（不违反热力学第一定律）热机（第二类永动机）？（不违反热力学第一定律）20世纪世纪40年代，有人估计将海水降低年代，有人估计将海水降低 0.1K，所，所获得的能量可使全世界的工厂开动获得的能量可使全世界的工厂开动1700年。年。l 能否制造不需要外界对系统作功，就能使热量从低能否制造不需要外界对系统作功，就能使热量从低温物体传递给高温物体的致冷机？温物体传递给高温物体的致冷机？一一 问题的提出问题的提出1第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理自然过程的实例：自然过程的实例：自然界自动进行的过程是有方向性的。自然界自动进行的过程是有方向性的。一切自然过程都是不可逆的一切自然过程都是不可逆的。例例1功热转换的方向性功热转换的方向性功功 热热:可自动进行（如可自动进行（如摩擦生热、焦耳实验）摩擦生热、焦耳实验）热热 功功:不可自动进行不可自动进行（焦耳实验中，不可能水（焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使温自动降低推动叶片而使重物升高）重物升高）实际经验告诉我们：在自然界中，不是所有符合热实际经验告诉我们：在自然界中，不是所有符合热力学第一定律的过程都能发生。力学第一定律的过程都能发生。2第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理“热自动地转换为功的过程不可能发生热自动地转换为功的过程不可能发生”。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。即：其即：其惟一效果惟一效果（指不引起其它变化）是一定量的内能（指不引起其它变化）是一定量的内能（热）（热）全部转变为机械能（功）的过程是不可能发生全部转变为机械能（功）的过程是不可能发生的的”。l热机热机：可以把热转变成了功，但有其它变化（热量：可以把热转变成了功，但有其它变化（热量从高温热源传给了低温热源）。从高温热源传给了低温热源）。l理想气体等温膨胀理想气体等温膨胀：把热全部变成了功，但伴随了：把热全部变成了功，但伴随了其它变化（体积膨胀）。其它变化（体积膨胀）。例例2热传导的方向性热传导的方向性 热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反的过程却不能发生。的过程却不能发生。3第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理例例2 热传导的方向性热传导的方向性 热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反的过程却不能发生。的过程却不能发生。“热量不可能自动地从低温物体传向高温物体热量不可能自动地从低温物体传向高温物体”。即：即：“其其惟一效果惟一效果（不引起其他任何变化）是热量从（不引起其他任何变化）是热量从低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的低温物体传向高温物体的过程是不可能发生的”。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。l致冷机可以将热量从低温物体传向高温物体，但致冷机可以将热量从低温物体传向高温物体，但这要通过外界做功（引起了其他变化）才能实现。这要通过外界做功（引起了其他变化）才能实现。4第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理例例3 气体绝热自由膨胀的方向性气体绝热自由膨胀的方向性 初平初平衡态衡态 非平衡态非平衡态末平末平衡态衡态反方向过程是不可能实现的。反方向过程是不可能实现的。气体向真空中绝热自由膨胀的过程气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。是不可逆的。“一切一切与热现象有关的与热现象有关的实际宏观实际宏观过程都是不可逆的过程都是不可逆的”（均涉及热功转换或热传导）（均涉及热功转换或热传导）总之：总之：实际自然过程都是按一定的方向进行的，是不实际自然过程都是按一定的方向进行的，是不可逆的可逆的（或说相反方向可以发生，但必然产生其他后（或说相反方向可以发生，但必然产生其他后果）。果）。5第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理“一切与热现象有关的一切与热现象有关的实际宏观实际宏观过程都是不可逆的过程都是不可逆的”（均涉及热功转换或热传导）（均涉及热功转换或热传导）实例：生命过程是不可逆的：实例：生命过程是不可逆的：出生出生 童年童年 少年少年 青年青年 中年中年 老年老年？是是不可逆！不可逆！热力学第二定律就是为了说明自然宏观不可逆的过热力学第二定律就是为了说明自然宏观不可逆的过程进行的方向的规律。程进行的方向的规律。热力学第二定律有两种表述：开尔文表述和克劳修热力学第二定律有两种表述：开尔文表述和克劳修斯表述。斯表述。6第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理 开开尔尔文文表表述述：其其惟惟一一效效果果是是热热全全部部转转变为功的过程是不可能的。变为功的过程是不可能的。或或：不不能能制制造造出出一一种种只只从从单单一一热热源源吸吸取取热热量量，使使其其全全部部转转变变成成功功而而不不引引起起其它变化的循环工作的热机。其它变化的循环工作的热机。热机热机A热源热源Q注意：注意：1.开尔文说法指得是循环工作的开尔文说法指得是循环工作的热机。如果工作物质的不是循环过程，热机。如果工作物质的不是循环过程，如等温膨胀过程，是可以把从一个热如等温膨胀过程，是可以把从一个热源吸收的热量全部用来作功的，但要源吸收的热量全部用来作功的，但要持续作功是不可能的。持续作功是不可能的。2.指出第二类永动机（单热机）是不可指出第二类永动机（单热机）是不可能实现的。能实现的。播放教学片播放教学片播放教学片播放教学片 CD4 CD4 永动机永动机永动机永动机二二 热力学第二定律：热力学第二定律：7第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理二二 热力学第二定律：热力学第二定律：阐明了热力学过程进行的方向。阐明了热力学过程进行的方向。克劳修斯表述：热量不能自动地从低克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传到高温物体而不引起其它的温物体传到高温物体而不引起其它的变化。变化。即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法不成立，另一个也必然不成立。的；如一个说法不成立，另一个也必然不成立。1.两种表述是统一的、等效的。两种表述是统一的、等效的。说明：说明：8第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理l*不可逆过程的相互依存：不可逆过程的相互依存：各种实际宏观过程的不可逆各种实际宏观过程的不可逆性都是相互依存（方向性都是相互沟通的）。性都是相互依存（方向性都是相互沟通的）。相互依存相互依存（相互沟通的）：一种过程的方向性存在（或（相互沟通的）：一种过程的方向性存在（或消失），则另一过程的方向性也存在（或消失）。消失），则另一过程的方向性也存在（或消失）。u假设功变热转换的假设功变热转换的不可逆性消失，即假不可逆性消失，即假设设热量可以自动地通热量可以自动地通过某种假想装置全部过某种假想装置全部转变为功转变为功。假想装置假想装置(a)Q热源热源T0WT T0T(b)热源热源T0QT可利用此假想装置做可利用此假想装置做功使水温上升功使水温上升TT0。相当是热量自动地从低温传到高温。相当是热量自动地从低温传到高温。即若功热转换的不即若功热转换的不可逆性消失则热量从高温传向低温的不可逆性也消失了可逆性消失则热量从高温传向低温的不可逆性也消失了.9第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理卡诺机卡诺机u假设热量由高温向低温的不可逆性消失了，即假设热量由高温向低温的不可逆性消失了，即假设热假设热量可以自动地通过某种假想装置从低温传向高温量可以自动地通过某种假想装置从低温传向高温。假想假想装置装置(a)Q2低温热源低温热源T2高温热源高温热源T1Q1Q2W(b)W高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2Q1-Q2可设计一卡诺热机，能自动从高温热源吸热可设计一卡诺热机，能自动从高温热源吸热Q1，对外做，对外做功功W，并向低温热源放热，并向低温热源放热Q2，使低温热源复原。，使低温热源复原。相当于从高温热源吸热相当于从高温热源吸热Q1Q2，并全部转变为对外做功，并全部转变为对外做功W而不引起其他任何变化而不引起其他任何变化,即功热转换的不可逆性也消失了即功热转换的不可逆性也消失了.10第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理绝热绝热(a)初态初态热热源源(b)吸热做功吸热做功(c)自自动收缩动收缩回复初回复初态态热源热源Q(d)总效果总效果u假设理想气体绝热自由膨假设理想气体绝热自由膨胀的不可逆性消失了，即胀的不可逆性消失了，即假假设气体能够自动收缩。设气体能够自动收缩。利用一个热源与气缸底部接利用一个热源与气缸底部接触，使气缸吸热，推动活塞触，使气缸吸热，推动活塞作等温膨胀而对外做功。作等温膨胀而对外做功。QW然后让气体自动收缩回原体然后让气体自动收缩回原体积。积。再把活塞移到原位置再把活塞移到原位置（这一移动不做功）。（这一移动不做功）。则其唯一效果是一定的则其唯一效果是一定的热量变成了功而没有引起任热量变成了功而没有引起任何其他变化。即功变热的不何其他变化。即功变热的不可逆性消失了。可逆性消失了。11第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理总之：各种宏观自然过程的不可逆性都是互相联系总之：各种宏观自然过程的不可逆性都是互相联系在一起的或者说是相互依存的，只需承认其中之一的不在一起的或者说是相互依存的，只需承认其中之一的不可逆性，便可以论证其他过程的不可逆性。可逆性，便可以论证其他过程的不可逆性。热力学第二定律是为了说明热力学第二定律是为了说明自然宏观不可逆的过程自然宏观不可逆的过程进行的方向进行的方向的规律。的规律。但是将所有宏观自然过程进行的方向一一指出是不但是将所有宏观自然过程进行的方向一一指出是不可能的。可能的。由于各种实际自然过程的不可逆性都是相互依存的，由于各种实际自然过程的不可逆性都是相互依存的，所以只要任选一种实际过程进行的方向规律就可以了。所以只要任选一种实际过程进行的方向规律就可以了。因此热力学第二定律只要有两种表述即可：开尔文因此热力学第二定律只要有两种表述即可：开尔文表述和克劳修斯表述。表述和克劳修斯表述。12第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理2.2.热力学第二定律的适用范围：热力学第二定律的适用范围：宏观过程；宏观过程；对微观过程不适用。对微观过程不适用。孤立系统有限范围；孤立系统有限范围；对整个宇宙不适用。对整个宇宙不适用。“热寂现象热寂现象”“世界末日论世界末日论”“上帝创世说上帝创世说”现代天文学表明，宇宙的温度是千变万化的，有现代天文学表明，宇宙的温度是千变万化的，有能量放射的地方，就有能量重新集结的地方，以其它形能量放射的地方，就有能量重新集结的地方，以其它形式贮存起来。式贮存起来。孤立系统指不受外界影响的系统。孤立系统指不受外界影响的系统。说明：说明：13第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理三三 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程可逆过程可逆过程:如果系统逆过程能重复正过程的每一状态如果系统逆过程能重复正过程的每一状态,而且不引起其他变化，则此过程叫做可逆过程而且不引起其他变化，则此过程叫做可逆过程。初态初态末态末态（外界亦需恢复原状）（外界亦需恢复原状）不可逆过程不可逆过程:在不引起其他变化的条件下，不能使逆过在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态的过程。程重复正过程的每一状态的过程。14第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理l一切自然过程（实际宏观过程）都是不可逆过程。一切自然过程（实际宏观过程）都是不可逆过程。原因：原因：有摩擦损耗，涉及功热转换，而功热转换是不有摩擦损耗，涉及功热转换，而功热转换是不可逆的；可逆的；是非准静态过程，其中间态是非平衡态，涉及非平衡是非准静态过程，其中间态是非平衡态，涉及非平衡态向平衡态过渡的问题，这是不可逆的（例如，前面所态向平衡态过渡的问题，这是不可逆的（例如，前面所讲的气体自由膨胀就是这样的不可逆过程）。只有无摩讲的气体自由膨胀就是这样的不可逆过程）。只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。擦的准静态过程才是可逆过程。l在有传热的情况下，准静态过程还要求系统和外界在在有传热的情况下，准静态过程还要求系统和外界在任何时刻的温差为无限小，否则传热过快会引起系统状任何时刻的温差为无限小，否则传热过快会引起系统状态的不平衡。态的不平衡。温差无限小的热传导（称等温热传导）是有传热的温差无限小的热传导（称等温热传导）是有传热的可逆过程的必要条件。可逆过程的必要条件。15第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理实现可逆过程的必要条件：实现可逆过程的必要条件：.准静循环过程：系统变化过程是无限缓慢进行的；准静循环过程：系统变化过程是无限缓慢进行的；.无能量耗散效应：如无摩擦力、粘滞力、热损耗等。无能量耗散效应：如无摩擦力、粘滞力、热损耗等。同时符合这两个条件的过程为可逆过程，不符合其同时符合这两个条件的过程为可逆过程，不符合其中任意一个条件的过程为不可逆过程。中任意一个条件的过程为不可逆过程。不可逆过程在自然界中普遍存在的，而可逆过程则不可逆过程在自然界中普遍存在的，而可逆过程则是理想的。是理想的。热力学第二定律指出，一切涉及热现象的过程不仅热力学第二定律指出，一切涉及热现象的过程不仅必须满足能量守恒，并且具有方向性和局限性，即自然必须满足能量守恒，并且具有方向性和局限性，即自然界的自发过程都是不可逆过程。界的自发过程都是不可逆过程。16第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理四四 卡诺定理卡诺定理（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机一切可逆热机（即经历的循环过程是可逆的），其效（即经历的循环过程是可逆的），其效率都相等，与工作物质无关。率都相等，与工作物质无关。（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机一切不可逆热机（经历的过程是不可逆循环），其效（经历的过程是不可逆循环），其效率不可能大于可逆热机的效率。率不可能大于可逆热机的效率。以理想气体为工作物质的卡诺机为例：以理想气体为工作物质的卡诺机为例：由定理由定理1得：得：由定理由定理2得：得：不可逆不可逆 可逆可逆卡诺热机的效率是一切卡诺热机的效率是一切热机效率的最高极限。热机效率的最高极限。17第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理五五 热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义反映大量分子运动的反映大量分子运动的无序程度无序程度变化的规律。变化的规律。例例1.功热转换功热转换功功 热热机械能机械能 内能内能有序运动有序运动 无序运动无序运动 可见，在功热转换的过程中，自然过程总是沿着使可见，在功热转换的过程中，自然过程总是沿着使大量分子大量分子从有序状态向无序状态从有序状态向无序状态的方向进行。的方向进行。例例2.热传导热传导初态：两物体温度不同，此时尚能按分子的平均动能初态：两物体温度不同，此时尚能按分子的平均动能的大小来区分两物体。的大小来区分两物体。末态：两物体温度相同，此时已不能按分子的平均动末态：两物体温度相同，此时已不能按分子的平均动能的大小来区分两物体。能的大小来区分两物体。大量分子运动的大量分子运动的无序性增大无序性增大了。了。18第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理例例3.气体绝热自由膨胀气体绝热自由膨胀反映大量分子运动的反映大量分子运动的无序程度无序程度变化的规律。变化的规律。初态：分子占据较小空间；初态：分子占据较小空间；末态：分子占据较大空间。末态：分子占据较大空间。分子的分子的运动状态运动状态(分子的分子的位置分布位置分布)更加无序了。更加无序了。综上可见，综上可见，一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。行。这就是自然过程方向性的微观意义。这就是自然过程方向性的微观意义。比喻：从守纪律状态比喻：从守纪律状态 自由散漫状态可以自动进行，自由散漫状态可以自动进行，相反的过程却需要加强思想教育、纪律约束。相反的过程却需要加强思想教育、纪律约束。五五 热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义19第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理注意：注意：1.热力学第二定律是统计规律，只适用于由大量分子热力学第二定律是统计规律，只适用于由大量分子构成的热力学系统。构成的热力学系统。2.热力学第二定律也是自然科学中最基本而又最普遍热力学第二定律也是自然科学中最基本而又最普遍的规律之一。的规律之一。本节本节结束结束反映大量分子运动的反映大量分子运动的无序程度无序程度变化的规律。变化的规律。一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。五五 热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义20第八章第八章 热力学基础热力学基础8-6 8-6 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图21