《热学》第六章 热力学第二定律

制作:龚劲涛

热 学 制作：龚劲涛

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。观察与实验表明,自然界中一切 与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,或者 说是有方向性的。例如,热量可以从高温物体 自动地传给低温物体,但是却不能从低温传到 高温。对这类问题的解释需要一个独立于热力 学第一定律的新的自然规律,即热力学第二定 律

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。观察与实验表明，自然界中一切 与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，或者 说是有方向性的。例如，热量可以从高温物体 自动地传给低温物体，但是却不能从低温传到 高温。对这类问题的解释需要一个独立于热力 学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定 律

第六章 热力学第二定律 the second law of thermodynamics

第六章 热力学第二定律 the second law of thermodynamics

热力学第二定律 热现象过程的不可逆性 热力学第二定律的统计意义 卡诺定律 热力学温标 气应用卡诺定律的例子 熵增加原理 循熵与热力学几率

•热力学第二定律 •热现象过程的不可逆性 •热力学第二定律的统计意义 •卡诺定律 •热力学温标 •气应用卡诺定律的例子 • 熵 •熵增加原理 •循熵与热力学几率

热力学第一定律:能量转换和守恒定律 凡违反热力学第一定律的过程不可能发生 第一类永动机不可能成功! 是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生? 功热转换 热传导能量转换有一定方向和限度 扩散 热力学第二定律:描述自然界能量转换的方向和限度。 用否定形式表述 特征表述方式多样 统计意义 反证法 ●t●

热力学第一定律：能量转换和守恒定律 凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生。 ——第一类永动机不可能成功！ 是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？ 功热转换 热传导 扩散 …... 能量转换有一定方向和限度 热力学第二定律：描述自然界能量转换的方向和限度。 用否定形式表述 表述方式多样 反证法 统计意义 …... 特征

问题的来由: 法国人巴本( Papin)发明第一部蒸汽机,英国人纽可 门( Newcomen)制作的大规模将热变成机械能的蒸汽机 从1712年在全英国煤矿普遍使用,当时效率很低。 1765年,瓦特(J.Watt,1736-1819,英国人)在修理纽 可门机的基础上,对蒸汽机作了重大改进,使冷凝器 与汽缸分离,发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等, 使蒸汽机实现了现代化,大大地提高了蒸汽机效率 十九世纪初期,蒸汽机的广泛应用使得提高热机效率 成为当时生产中的重要课题。 十九世纪二十年代(1824年)法国的年青工程师卡诺 (S. Carnot,1796-1832)从理论上研究了一切热机的 效率问题,并提出了著名的卡诺定理

•问题的来由： 法国人巴本(Papin)发明第一部蒸汽机，英国人纽可 门(Newcomen)制作的大规模将热变成机械能的蒸汽机 从1712年在全英国煤矿普遍使用，当时效率很低。 1765年，瓦特(J.Watt，1736-1819，英国人)在修理纽 可门机的基础上，对蒸汽机作了重大改进，使冷凝器 与汽缸分离，发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等， 使蒸汽机实现了现代化，大大地提高了蒸汽机效率。 十九世纪初期，蒸汽机的广泛应用使得提高热机效率 成为当时生产中的重要课题。 十九世纪二十年代(1824年)法国的年青工程师卡诺 (S.Carnot，1796-1832) 从理论上研究了一切热机的 效率问题，并提出了著名的卡诺定理

他指出:一部蒸汽机所产生的机械功,在原则上有 赖于锅炉和冷凝器之间的温度差以及工作物质从锅炉 所吸收的热量。(卡诺定理) 但卡诺信奉热质说,不认为在热机的循环操作中, 工作物质所吸收的热量一部分转化为机械功。而认为: “热量从高温传到低温而作功,好比是水力机作功时, 水从高处流到低处一样;与水量守恒相对应的是热质 守恒。” 1840年后,焦耳的热功当量实验工作陆续发表,开尔 文、克劳修斯等人注意到焦耳工作与卡诺的热机理论 之间的矛盾,并作了进一步的理论研究,总结出了 条新的定律,即热力学第二定律。 矛盾<焦耳:机械能定量地转化为热 卡诺:热在蒸汽机里并不转化为机械1

他指出：一部蒸汽机所产生的机械功，在原则上有 赖于锅炉和冷凝器之间的温度差以及工作物质从锅炉 所吸收的热量。（卡诺定理） 但卡诺信奉热质说，不认为在热机的循环操作中， 工作物质所吸收的热量一部分转化为机械功。而认为： “热量从高温传到低温而作功，好比是水力机作功时， 水从高处流到低处一样；与水量守恒相对应的是热质 守恒。” 1840年后，焦耳的热功当量实验工作陆续发表，开尔 文、克劳修斯等人注意到焦耳工作与卡诺的热机理论 之间的矛盾，并作了进一步的理论研究，总结出了一 条新的定律，即热力学第二定律。 焦耳：机械能定量地转化为热； 卡诺：热在蒸汽机里并不转化为机械能。 矛盾

1第二类永动机 依热机效率:7 9-∞ 1 设想:O2=0,n=100% 工作物质在此循环过程中,从高 温热源吸收热量全部用来作功,而 工作物质本身又回到原来的热力学 ∥ 状态,此热机称为第二类永动机 注意:第二类永动机并不违反热力学第一定律,即不违 反能量守恒定律,因而对人们更具有诱惑性。然而,在 提高热机效率时,大量事实说明:在任何情况下,热机 都不可能只有一个热源。1851年,开尔文提出了一条新 的普遍原理

第二类永动机并不违反热力学第一定律，即不违 反能量守恒定律，因而对人们更具有诱惑性。然而，在 提高热机效率时，大量事实说明：在任何情况下，热机 都不可能只有一个热源。1851年，开尔文提出了一条新 的普遍原理。 注意： T Q W 1.第二类永动机 依热机效率： 1 2 2 1 1 1 1 W Q Q Q Q Q Q  − = = = − 设想： Q2 = 0,  =100% ～工作物质在此循环过程中，从高 温热源吸收热量全部用来作功，而 工作物质本身又回到原来的热力学 状态，此热机称为第二类永动机

561热力学第二定律 the second law of thermodynamics 热力学第二定律的基本表述 (the Basic Statement of the Second Law of Thermodynamics) 1、热力学第二定律的开尔文表述 (Kelvin Statement of the Second Law)

§6.1 热力学第二定律 （the second law of thermodynamics） 一、热力学第二定律的基本表述 (the Basic Statement of the Second Law of Thermodynamics) 1、热力学第二定律的开尔文表述 (Kelvin Statement of the Second Law)

开尔文( Lord Kelvin1824~1907),原名 (W. Thomson,1824-1907)。英国物理学家, 热力学的奠基人之一。英国物理学家,1824年6 月26日生于爱尔兰的贝尔法斯特,1907年12月17 日在苏格兰的内瑟霍尔逝世。由于装设大西洋海 底电缆有功,英国政府于1866年封他为爵士,后 又于1892年封他为男爵,称为开尔文男爵,以后 他就改名为开尔文。1846年开尔文被选为格拉斯 哥大学自然哲学教授,自然哲学在当时是物理学 的别名。开尔文担任教授53年之久,到1899年才 退休。1904年他出任格拉斯哥大学校长,直到逝 世。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学 电磁学、波动和涡流等方面卓有贡献,1892年被 授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854 年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他,国 际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名

开尔文（Lord Kelvin 1824～1907），原名 （W. Thomson，1824-1907）。英国物理学家, 热力学的奠基人之一。英国物理学家，1824年6 月26日生于爱尔兰的贝尔法斯特，1907年12月17 日在苏格兰的内瑟霍尔逝世。由于装设大西洋海 底电缆有功，英国政府于1866年封他为爵士，后 又于1892年封他为男爵，称为开尔文男爵，以后 他就改名为开尔文。1846年开尔文被选为格拉斯 哥大学自然哲学教授，自然哲学在当时是物理学 的别名。开尔文担任教授53年之久，到1899年才 退休。1904年他出任格拉斯哥大学校长，直到逝 世。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、 电磁学、波动和涡流等方面卓有贡献，1892年被 授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854 年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他，国 际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名