1、大 学 物 理热 力 学 基 础（第四讲）,主讲：王建星辅导：杨培霞,预习：第七章 72、73、74,6-7 热力学第二定律的表述 卡诺定理,引言：凡遵从热一律(即能量守恒)的过程是否都能实现？ 这是热二律要回答的问题。,一热力学过程的方向性,高温,低温,热传导的方向性,自动,功热转换的方向性,气体的绝热自由膨胀,注意：方向性是指：存在一个 自动 进行的方向。,其反方向也能实现需要条件(外界帮助、对外产生影响)。,自动无条件(勿须外界帮助、对外不产生影响)。,自动,自动,自动,二.可逆过程与不可逆过程 P206207,定义：有一个过程，使系统从状态A变为状态B。如果存在另一过程，它不仅使系统进
2、行反向变化，使系统从状态B 回复到状态A ，而且当系统回复到状态A时，周围一切也都各自回复原状，则此 AB 过程称为可逆过程。,反之：对于某一过程（AB），不论经过怎样复杂曲折的方法，都不能使 系统和外界 恢复到原来的状态，则此过程称为不可逆过程。,例1.不计阻力的单摆运动,无耗散的机械运动是可逆过程。,例2.功、热的转换是不可逆过程,功变热可以百分之百。,逆过程？,高温热源,低温热源,热机,热转变为功将对外产生影响：向低温热源传递热量。,例4.气体的迅速膨胀不可逆,p1p2，,|W1|0,当活塞无摩擦地、非常缓慢地拉动时，内外作功的和为零。可视为可逆过程。,例3.气体在真空中的自由膨胀不可逆
3、,要收缩到原状需外界作功。,结论：,1）一切自发过程都是不可逆过程。,2）无摩擦的平衡过程才是可逆过程。,A,B,在AB的过程中：,内能变化：,对外作功：,吸收热量：,在B A的过程中：,正过程+逆过程=0即对外影响全抵消,可逆过程是理想化的过程。,一切实际过程都是不可逆过程。,因为一切实际过程都有磨擦。,三. 热力学第二定律的两种表述,1.开尔文(Kelvin)表述 P204,问题的提出：提高 有无限制？,不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全部变为有用的功，而其他物体不产生任何变化。,单一热源(T),同时满足！,1) “一个热源”是指温度均匀且恒定不变的热源；,2) “
4、其他物体不产生任何变化”是指除了“从单一热源吸 收热量以及对外作功”以外的任何变化。,如等温膨胀：,虽是从单一热源吸收热量全部对外作功，,但体积膨胀了。,3) 热二律指出了效率100%的热机制造不出来。,说明：,不违背热二律！,3) 热二律指出了效率100%的热机制造不出来。,=100%,如果能从单一热源吸收热量对外作功而不产生其它影响，则：,(第二类永动机),热二律说：这是不可能的。,第二类永动机：从单一热源吸收热量全部转化为有用功而不 产生其它影响的一种循环动作的机器。,Kelvin 的另一种表述：第二类永动机是制造不出来的。,2.克劳修斯(Clausius)表述,热量不可能自动地从低温物
5、体传向高温物体。,一条定律两种表述？,似乎彼此无关,3.两种表述的等价性,反证法：,违背Kelvin 表述,也违背Clausius表述，,反过来：违背Clausius 表述,也违背Kelvin表述。,高温热源(T1),低温热源(T2),热机,制冷机,等效于,违背Clausius 表述,也违背Kelvin表述。,高温热源(T1),低温热源(T2),热机,等效于,热机,两种表述对应两个的不可逆(自发)过程：,开氏表述对应功热转换过程的不可逆；,克氏表述对应热传递过程的不可逆。,由两种表述的等价性可知：由一种自发过程的不可逆性可以导出另一种自发过程的不可逆性。,可以证明各种自发过程的不可逆性是相互关
6、联的。, 热二律还可以有多种表述。,热二律的实质：,一切自发过程都是不可逆的。,4热力学第一、二定律是相辅相成的,热一律说明热功转换的数量关系：,热力学过程必须遵守能量,守恒定律。,Q=E+W,热二律说明热功转换的方向和条件：,并非遵守能量守恒定律的热,力学过程都能实现。并指出热功转换的限度, 100,功 热,无条件,热功转换的方向性,有条件,无条件,热传递的方向性,有条件,热力学过程在遵守热一律的同时还受方向性的限制。,5. 热力学第二定律的统计意义和适用范围,用概率的概念来说明自由膨胀的不可逆性。,1个分子：,1 1,有21种分布(微观状态数21) ；,分子自动退回 a 室的概率为1/21
7、。,两个分子：,1,2 1 2 1,2 2 1,有22种分布(微观状态数22) ；,分子自动退回 a 室的概率为1/22。,三个分子：,1,2,3 1,2 1,3 2,3 3 2 1 3 2 1 1,2 1,3 2,3 1,2,3,有23种分布(微观状态数23) ；,分子自动退回 a 室的概率为1/23 。,N个分子：,有2N种分布(微观状态数2N) ；,分子自动退回 a 室的概率为1/2N 。,N,1/2N 0,理论上可退回，实际上不会出现。,微观态数与无序度(混乱度)：,例：一个盒子内有1000个编号的硬币，正面向上排列完全有序，无序度为0。（1种微观态）,摇几下：,900上/100下,有
8、10140种分布(微观态),无序度 ；,再摇：,700上/300下,有10265种分布(微观态),无序度 ；,继续摇：,500上/500下,有10300种分布(微观态),无序度最大。,再摇下去也离不开均匀分布。(相当于达到平衡态),系统自发趋向平衡态的过程也就是无序度增加的过程；,朝平衡态过渡必定伴随着无序度的增加！,逆过程根本不可能出现！,概率小,概率较大,概率最大,宏观平衡态对应的微观态数具有最大值概率最大。,功 热,（机械能内能）,分子定向运动分子无规运动,有序运动无序运动,概率小的状态概率大的状态,结论：,在孤立系统内，一切自发过程(不可逆过程)都是由概率小(微观态数少)的宏观状态向着概率大(微观态数多)的宏观状态进行总是沿着无序度增大的方向进行。,这就是热力学第二定律的统计意义。,热二律适用范围,孤立系统,如：热传导系统仅由两个有温差的物体组成。,四. 卡诺定理,卡诺提出：在温度为 T1 和 T2 两个热源之间工作的热机,必须遵 守以下两条。P208,1.在相同的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.,2.工作在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率.,(6-24),取 “=” 号,表示可逆机; 取 “” 号,表示不可逆机。,简言之，卡诺定理说得是：卡诺循环的效率为最高效率。,
