材料熱力學(xué)2-2第二

1、授課內(nèi)容授課內(nèi)容第二章 熱力學(xué)第二定律第二章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律只說明了隔離體系中能量守恒和能量轉(zhuǎn)換的當(dāng)量問題，但不能給出過程變化的可能性及其限度過程變化的可能性及其限度。高溫、高壓金剛石石墨)()(CC并非任何變化都朝著人們所希望的方向進(jìn)行并非任何變化都朝著人們所希望的方向進(jìn)行)()()(22gHgCOOHsC)()()(44aqClaqNHsClNH第二章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律只說明了隔離體系中能量守恒和能量轉(zhuǎn)換的當(dāng)量問題，但不能給出過程變化的可能性及其限度過程變化的可能性及其限度。變化的可能性就是過程的方向問題變化的可能性就是過程的方向問題，而限度就是平衡問題限度就是平

2、衡問題，這兩個(gè)問題具有十分重要的實(shí)際意義, 熱力學(xué)第二定律就是要解決這兩個(gè)問題。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過程與不可逆過程：（不需外力的作用）從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過程稱（不需外力的作用）從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過程稱為為自發(fā)過程自發(fā)過程。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過程與不可逆過程：（不需外力的作用）從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過程稱為自發(fā)過程。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過程與不可逆過程：)()(2442gHZnSOSOHsZn第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過程與不可逆過程：自發(fā)變化的共同特征：不可逆性。不可逆性。在沒有外界影響下，任何自發(fā)變化的逆

3、過程是不能自動(dòng)進(jìn)行的，又稱不可逆過程。)()(2442gHZnSOSOHsZn第二章 熱力學(xué)第二定律 2-2 可逆過程： 可逆過程可逆過程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中, 如果逆過程能重如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài)復(fù)正過程的每一狀態(tài), 而不引起其他變化而不引起其他變化, 這樣的過程叫這樣的過程叫做可逆過程做可逆過程 .理想氣體：理想氣體： 恒溫膨脹恒溫膨脹 恒溫壓縮恒溫壓縮第二章 熱力學(xué)第二定律 2-2 可逆過程： 可逆過程可逆過程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中, 如果逆過程能重如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài)復(fù)正過程的每一狀態(tài), 而不引起其他變化而不引起其

4、他變化, 這樣的過程叫這樣的過程叫做可逆過程做可逆過程 .金屬絲很細(xì)，導(dǎo)熱很慢，是準(zhǔn)靜過程；由于很細(xì)，它的影金屬絲很細(xì)，導(dǎo)熱很慢，是準(zhǔn)靜過程；由于很細(xì)，它的影響可以忽略不計(jì)，因此，是可逆過程。響可以忽略不計(jì)，因此，是可逆過程。例如：用很細(xì)的金屬絲相連不同溫度的兩金屬塊，傳熱很慢，保持兩金屬內(nèi)部都不產(chǎn)生溫度梯度。T1T2時(shí)，金屬塊1傳熱給金屬塊2，金屬塊1所放出的熱量= 金屬塊2所獲得的熱量Q。第二章 熱力學(xué)第二定律 每一步無限接近平衡態(tài)變化量無限小系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功最大（絕對(duì)值）可逆過程結(jié)束后系統(tǒng)若沿途徑逆向進(jìn)行回到原狀態(tài)，則環(huán)境也同時(shí)回到原狀態(tài)。(體系變化一個(gè)循環(huán)后，體系和環(huán)境均恢復(fù)原態(tài)，變化過

5、程中無任何耗散效應(yīng))可逆過程僅為一種實(shí)際過程的抽象，作為處理問題的需要?？赡孢^程僅為一種實(shí)際過程的抽象，作為處理問題的需要。 2-2 可逆過程：特點(diǎn)：特點(diǎn)：可逆過程是可逆過程是種極限過程種極限過程，而實(shí)際過程可以或多或少地趨近于這個(gè)極限。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-3 自發(fā)過程與可逆可逆過程轉(zhuǎn)化 2-3 自發(fā)過程與可逆過程轉(zhuǎn)化)(2)()(2:222lOHgOgH例如)()(2)(2222gOgHlOH電解 2-3 自發(fā)過程與可逆過程轉(zhuǎn)化第二章 熱力學(xué)第二定律 克勞修斯說法：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引不引起其它變化。起其它變化?！比绻试S“其它變化”，例如，利用致冷機(jī)做功，熱量

6、便可以從低溫物體傳向高溫物體，而致冷機(jī)做功就屬于“其它變化”。 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說法第二章 熱力學(xué)第二定律 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說法 開爾文說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它變化”。如果允許“其它變化”發(fā)生，熱可以全部變?yōu)楣?。例如氣缸中理想氣體作等溫膨脹時(shí)，氣體從恒溫?zé)嵩次盏臒崃烤涂梢匀坑脕韺?duì)外做功。但氣體“體積和壓強(qiáng)”發(fā)生了變化，它不能循環(huán)動(dòng)作返回原狀態(tài)。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說法開爾文說法或表述為:制造出第二類永動(dòng)機(jī)是不可能的。高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩21Q1QA 第二類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想是第二類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想是從單一熱源

7、吸熱并將其從單一熱源吸熱并將其全部用來作功，而不放全部用來作功，而不放出熱量給其它物體的機(jī)出熱量給其它物體的機(jī)器器( =100%) 第二章 熱力學(xué)第二定律 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說法 永 動(dòng) 機(jī) 的 設(shè) 想 圖第二章 熱力學(xué)第二定律S的引入的引入例如：用很細(xì)的金屬絲相連不同溫度的兩金屬塊，傳熱很慢，保持兩金屬內(nèi)部都不產(chǎn)生溫度梯度。T1T2時(shí)，金屬塊1傳熱給金屬塊2，金屬塊1所放出的熱量= 金屬塊2所獲得的熱量Q。當(dāng)T1T2時(shí)，這種自發(fā)熱傳導(dǎo)過程具備如下特征：當(dāng)T1=T2時(shí)，熱平衡，此時(shí)：第二章 熱力學(xué)第二定律從上面的兩種情況可以看出：從上面的兩種情況可以看出：Q/T的商值的商值(熱溫商熱

8、溫商)對(duì)決定過程對(duì)決定過程的方向起了很大的作用。的方向起了很大的作用?？赡孢^程可逆過程設(shè)這種可逆過程的熱效應(yīng)為QR克勞修斯定義(熵S):TQSR=對(duì)微小變化，有： TQdSR=S: 熵，是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)熵，是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)熵的變化值熵的變化值= 可逆過程的熱溫商值可逆過程的熱溫商值第二章 熱力學(xué)第二定律在導(dǎo)熱情況下，體系(金屬1十金屬2)的S為：這種熱從高溫傳遞到低溫的自發(fā)過程的特點(diǎn)是：這種熱從高溫傳遞到低溫的自發(fā)過程的特點(diǎn)是：S0。若若S 0，則熱從低溫傳遞至高溫，這是違背第二定律的，也，則熱從低溫傳遞至高溫，這是違背第二定律的，也是違背事實(shí)的。是違背事實(shí)的。當(dāng)T1=T2時(shí)，熱平衡，此時(shí)：S=0

9、表示熵值增至最大，達(dá)到平衡態(tài)。表示熵值增至最大，達(dá)到平衡態(tài)。第二章 熱力學(xué)第二定律可以用熱溫商Q/T來判斷過程的不可逆程度：可逆過程的Q/T最大不可逆程度越大，其熱溫商越小。對(duì)于相同的狀態(tài)變化：凡是不可逆過程，其熱溫商必小于該過程所導(dǎo)致的熵變S。dS = Q/T, 可逆過程dS Q/T， 不可逆過程Clausius 不等式第二章 熱力學(xué)第二定律 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)不不可逆過程可逆過程0S孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)可逆可逆過程過程0S0S熱力學(xué)第二定律(熵增原理熵增原理) ：對(duì)于隔離體系，如果發(fā)生不可逆變化，其熵將增大，直至平衡態(tài)。 S愈接近于零，則過程越接近于可逆過程。所以，熱力學(xué)第二定律通過 S可以衡量

10、過程的不可逆程度。 自發(fā)過程是不可逆過程，它的方向使 S0，所以，熱力學(xué)第二定律通過 S可以判斷過程的方向。Clausius 不等式：第二章 熱力學(xué)第二定律熵增原理熵增原理體系體系A(chǔ)體系體系B第一定律：第一定律：U=-400J第二定律：第二定律：SA=Q/T=-400/400=-1第一定律：第一定律：U=+400J第二定律：第二定律：S=Q/T=400/300=4/3A、B物體非常大，物體非常大，假設(shè)有假設(shè)有400J的熱從溫度的熱從溫度高高的物體的物體A傳遞到溫度傳遞到溫度低低的的BS=SA+SB=-1+4/3=1/3第二章 熱力學(xué)第二定律熵增原理熵增原理體系體系A(chǔ)體系體系B第一定律：第一定律

11、：U=+00J第二定律：第二定律：SA=Q/T=400/400=1第一定律：第一定律：U=-400J第二定律：第二定律：S=Q/T=-400/300=-4/3A、B物體非常大，物體非常大，假設(shè)有假設(shè)有400J的熱從溫度的熱從溫度低低的物體的物體B傳遞到溫度傳遞到溫度高高的的AS=SA+SB=1-4/3=-1/3第二章 熱力學(xué)第二定律* 熵增原理只適用于隔離體系。熵增原理只適用于隔離體系。對(duì)于一個(gè)不與外界隔離的體系，應(yīng)將體系與環(huán)境熱源一并作為整個(gè)隔離體系來計(jì)算熵值變化，即： S= S體系體系+ S環(huán)境環(huán)境0正向自阻平衡自發(fā)性環(huán)境系統(tǒng)孤立000SSS環(huán)體環(huán)環(huán)環(huán)TQTQS環(huán)環(huán)或TQS:熵增加原理是在宇宙的局部范圍總結(jié)的規(guī)律，而且不考慮引力場(chǎng)的情況，將熵增加原理推廣至充滿引力場(chǎng)的整個(gè)宇宙是不合適的；從實(shí)驗(yàn)和理論證明，宇宙是膨脹的，隨宇宙膨脹，離平衡越來