8热力学第二定律 卡诺原理.ppt

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1、1.热力学第二定律热力学第二定律2.卡诺原理卡诺原理 1 热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。凡符合热一律的过程凡符合热一律的过程-即符合能量守恒的过程是否即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？都能实现呢？实验表明，实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。是有方向性的。一、自然过程的方向性一、自然过程的方向性热传导过程热传导过程 例如：例如：气体的绝热自由膨胀过程。气体的绝热自由膨胀过程。这些典

2、型例子说明自然界的实际过程是按一定的这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。如果可以发生，则必然引起其它后果。前前前前 言言言言2 热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律来解释。学第二定律来解释。二、热力学第二定律二、热力学第二定律不可能制成一种不可能制成一种循环动作循环动作循环动作循环动作的热机，只从的热机，只从单一

3、热源单一热源吸取吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它 影响是不可能的。影响是不可能的。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。年开尔文总结出热力学过程进行的限度。1.1.内容内容1.1.开尔文表述开尔文表述以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。动画动画3热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体

4、等温膨热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但这时引起了其它的变化。胀。但这时引起了其它的变化。开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性高温热源高温热源T1=0第二类永动机（单热机）不第二类永动机（单热机）不能制成。能制成。第二类第二类永动机永动机4高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 与之相应的经验事实是，当与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，两个不同温度的物体相互接触时，热量将自动地由高温物体向低温热量将自动地由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。温物体传

5、到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了外界作功为代价，也就是引起了其它变化。其它变化。克氏表述指明热传导克氏表述指明热传导过程是有方向的过程是有方向的。2、克劳修斯表述、克劳修斯表述热量不能热量不能自动自动自动自动地从低温热源传到高温热源而不引地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。起其它的变化。动画动画51.从开尔文表述入手从开尔文表述入手假定单热机是可以假定单热机是可以造成的，则造成的，则高温源高温源低温源低温源Q 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2高温热源高温热源T1低

6、温热源低温热源T2 3、两种表述是统一的、两种表述是统一的2.从克劳修斯表述入手从克劳修斯表述入手 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 高温热源高温热源T1 假定热量能自动假定热量能自动地从低温源传到高地从低温源传到高温源，则单热机也温源，则单热机也能造成。能造成。热力学过程是有方向性的。热力学过程是有方向性的。62.2.可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过程方向性问题，引入程方向性问题，引入可逆过程可逆过程的概念的概念。一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一一个系统，由一个状态出发经过某

7、一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外界引起的一切影响界引起的一切影响）则原来的过程称为）则原来的过程称为可逆过程可逆过程；单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变化。的位置而周围一切都无变化。反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回反之，如果物体不能回复到原来状态或当物

8、体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原来的过程称为来的过程称为不可逆过程不可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。7l 热量从高温物体传到低温物体的过程热量从高温物体传到低温物体的过程（假定外界温度高，系统温度低）外界将一（假定外界温度高，系统温度低）外界将一 定的热量传给了系统，使系统的温度升高了。定的热量传给了系统，使系统的温度升高了。有什么办法能使系统和外界都恢复原状？有什么办法能使系统和外界都恢复原状？通过外界对系统作功的方法，提高系统的通过外界对系统作功的方法，提高系统的 温度温度

9、，当系统的温度高于外界时，系统将当初，当系统的温度高于外界时，系统将当初所吸的热量及由外界作功所转变的内能全部交所吸的热量及由外界作功所转变的内能全部交还给外界，还给外界，系统恢复了原状。系统恢复了原状。外界呢？总能量没减少，但原来付出的机械能外界呢？总能量没减少，但原来付出的机械能 变成了热能，变成了热能，外界没有恢复原状。外界没有恢复原状。所以所以热量从高温物体传到低温物体热量从高温物体传到低温物体的过程是不可逆的！的过程是不可逆的！结论结论8单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。理想气体绝热自由膨胀是不

10、可逆的。A 在热现象中，可逆过程只有在在热现象中，可逆过程只有在准静态准静态和和无摩擦无摩擦的的条件下才有可能。条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。定方向进行的，都是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。可逆传热的条件是：可逆传热的条件是：系统和外界温差无系统和外界温差无限小，即等温热传导。限小，即等温热传导。气体的迅速膨胀过程是不可逆气体的迅速膨胀过程是不可逆的。的。但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它但是

11、当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它却是可逆的却是可逆的。9l水自动地从高处向低处流。水自动地从高处向低处流。l铁在自然界中变成氧化铁。铁在自然界中变成氧化铁。l生命过程生命过程这些过程都是不可逆的这些过程都是不可逆的!?显然显然自自 然然 界界10结论：结论：1 1）一切自发过程都是不可逆过程。）一切自发过程都是不可逆过程。2 2）准静态过程无限缓慢或无摩擦的过程是可逆过程。）准静态过程无限缓慢或无摩擦的过程是可逆过程。3）一切实际过程都是不可逆过程。）一切实际过程都是不可逆过程。可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。因为，实际过程都

12、是以有限的速度进行，真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆的。不可逆的。强调：强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。过程的痕迹完全消除。11l 热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不能自动发生，或者说

13、，如果可以发生，则必然引起能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。其它后果。开氏表述实质上在于说明开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的功变热的过程是不可逆的。u热力学第二定律的实质在于指出热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。关的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。克氏表述实质上在于说明克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的热传导过程是不可逆的。热一律说明热一律说明:任何过程必须能量守恒任何过程必须能量守恒。热

14、二律说明热二律说明:并非所有的能量守恒过程都能实现并非所有的能量守恒过程都能实现。12 卡诺循环是一个理想的准静态循环，是可逆循环。卡诺循环是一个理想的准静态循环，是可逆循环。它由两条等温线和两条绝热线组成的循环。它由两条等温线和两条绝热线组成的循环。卡诺在研究热机循环效率时，提出了卡诺定理。卡诺在研究热机循环效率时，提出了卡诺定理。三、卡诺定理三、卡诺定理内容：内容：（2 2）在两个给定（不同）温度的热源之间工作的两类热）在两个给定（不同）温度的热源之间工作的两类热机，不可逆热机的效率不可能大于可逆热机的效率。机，不可逆热机的效率不可能大于可逆热机的效率。（1 1）相同高温热源（相同高温热源（T1）和低温热源（和低温热源（T2）之间工作之间工作的一切可逆机，不论用什么工作的一切可逆机，不论用什么工作 物质物质，其效率都相等。，其效率都相等。且为：且为：13由卡诺定理知：由卡诺定理知：(任意热机的效率：任意热机的效率：A A代表任意，代表任意，R R代表可逆。当代表可逆。当A A为可逆热机时，取为可逆热机时，取“=”=”；当当A A为不可逆热机时取为不可逆热机时取“”。(任意任意(arbitrary)(arbitrary)可逆热机的效率都等于以理想气可逆热机的效率都等于以理想气体为工质的卡诺热机的效率：体为工质的卡诺热机的效率：14