2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：熱力學(xué)第二定律(共130張PPT)

1、熱力學(xué)第二定律第五節(jié) 一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。 一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機？(也就是熱將全部變功的熱機) 一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機？(也就是熱將全部變功的熱機)功是否可以全部變?yōu)闊幔?一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機？(也就是熱將全部變功的熱機)功是否可以全部變?yōu)闊幔?可以。 一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制

2、造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機？(也就是熱將全部變功的熱機)功是否可以全部變?yōu)闊幔?熱是否可以全部變?yōu)楣Γ靠梢浴?一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機？(也就是熱將全部變功的熱機)功是否可以全部變?yōu)闊幔?熱是否可以全部變?yōu)楣Γ靠梢?。有條件。 一、熱力學(xué)第二定律的表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機？(也就是熱將全部變功的熱機)功是否可以全部變?yōu)闊幔?熱是否可以全部變?yōu)楣?？熱力學(xué)第二定律的開耳芬(Kelven)敘述： 可以。有條件。 一、熱力學(xué)第二定律的

3、表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于一的熱機。問題：能否制造成功效率等于一的熱機(也就是熱將全部變功的熱機)功是否可以全部變?yōu)闊幔?熱是否可以全部變?yōu)楣?？熱力學(xué)第二定律的開耳芬(Kelven)敘述： 不可能制造成功一種循環(huán)動作的機器，它只從單一熱源吸熱使之全部變?yōu)楣Χ鴮ν饨绮话l(fā)生任何影響。可以。有條件。？ 一、熱力學(xué)第二定律的表述 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯(Clausius)敘述：熱量不可能自動地從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩础?熱量直接從低溫物體傳到高溫物體是不可能的。但借助于某種循環(huán)動作的機器（致冷機）可使熱量間接從低溫物體傳到高溫物體。但此時外界必須作功，即外界發(fā)生變化。因此這就不是熱量自動

4、地從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩础Ｗ詣拥暮x：違背了克勞修斯敘述也就是違背了開耳芬敘述TT12QQ22ETT122QQQQ11222A=QQEB違背了克勞修斯敘述也就是違背了開耳芬敘述違背了開耳芬敘述也就是違背了克勞修斯敘述TT112QQ1122QQA=QCD+ 熱力學(xué)第二定律反映自然界過程進(jìn)行的方向和條件的一個規(guī)律，即過程的方向性。 熱力學(xué)第二定律反映自然界過程進(jìn)行的方向和條件的一個規(guī)律，即過程的方向性。 熱力學(xué)中把功和熱量傳遞方式加以區(qū)別就是因為熱量具有只能自動從高溫物體傳向低溫物體的方向性。 熱力學(xué)第二定律反映自然界過程進(jìn)行的方向和條件的一個規(guī)律，即過程的方向性。 熱力學(xué)中把功和熱量傳遞方式加以

5、區(qū)別就是因為熱量具有只能自動從高溫物體傳向低溫物體的方向性。 任何一種不可逆過程的說法，都可作為熱力學(xué)第二定律的一種表述，它們都是等價的 第一定律說明在任何過程中能量必須守恒第二定律卻說明并非所有能量守恒的過程均能實現(xiàn)。自然界一切自發(fā)過程進(jìn)行的方向和條件（可逆與不可逆）是第二定律研究的內(nèi)容。 第二定律指出自然界中出現(xiàn)的過程是有方向性的，某些方向的過程可以實現(xiàn)，而另一方向的過程則不能實現(xiàn)。在熱力學(xué)中，第二定律和第一定律相輔相成，缺一不可。兩定律的區(qū)別與聯(lián)系： 二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實

6、際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體， 二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 氣體能自動地向真空膨脹，二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 氣體能自動地向真空膨脹，但氣體不能自動收縮

7、。 二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 氣體能自動地向真空膨脹，但氣體不能自動收縮。 以上事實表明熱力學(xué)過程進(jìn)行具有方向性。二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 氣體能自動地向真空膨脹，但氣體不能自動收縮。 以上事實表明熱力學(xué)過程進(jìn)行具有方向性。熱力學(xué)過程的初態(tài)和終態(tài)之間存在重大性質(zhì)的差別。二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都

8、是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 氣體能自動地向真空膨脹，但氣體不能自動收縮。 以上事實表明熱力學(xué)過程進(jìn)行具有方向性。熱力學(xué)過程的初態(tài)和終態(tài)之間存在重大性質(zhì)的差別。系統(tǒng)的這種性質(zhì)可以用一個物理量二、克勞修斯等式 二、克勞修斯等式 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是不可逆的。 高溫物體能自動地將熱量傳給低溫物體，但低溫物體不能自動地將熱量傳給高溫物體。 氣體能自動地向真空膨脹，但氣體不能自動收縮。 以上事實表明熱力學(xué)過程進(jìn)行具有方向性。熱力學(xué)過程的初態(tài)和終態(tài)之間存在重大性質(zhì)的差別。系統(tǒng)的這種性質(zhì)可以用一個物理量態(tài)函數(shù)熵 來

9、描寫。卡諾熱機的效率為：Q卡諾熱機的效率為：=1Q2Q1Q卡諾熱機的效率為：=1Q2Q1T1T2T1Q0卡諾熱機的效率為：=1Q2Q1T1T2T1Q=1T1Q2T2Q0卡諾熱機的效率為：=1Q2Q1T1T2T1Q=1T1Q2T2如果熱量仍用代數(shù)量來表示，則上式可寫為：Q0卡諾熱機的效率為：=1Q2Q1T1T2T1Q=1T1Q2T2如果熱量仍用代數(shù)量來表示，則上式可寫為：0Q=1T1Q2T2+Q0卡諾熱機的效率為：=1Q2Q1T1T2T1Q=1T1Q2T2如果熱量仍用代數(shù)量來表示，則上式可寫為：0Q=1T1Q2T2+此式的意義是在卡諾循環(huán)中量QT的總和等于零。 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無

10、數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVO 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PVOPV 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，O 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無

11、數(shù)個卡諾循環(huán)組成，PV絕熱線等溫線O 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，相鄰兩個卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，PV絕熱線等溫線O 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，相鄰兩個卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，方向相反，PV絕熱線等溫線O 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，相鄰兩個卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，方向相反，互相抵消。 PV絕熱線等溫線O 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，相鄰兩個卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，方向相反，互相抵消。 當(dāng)卡諾循環(huán)數(shù)無限增加時，PV絕熱線等溫線O 對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數(shù)個卡諾循環(huán)組成，

12、相鄰兩個卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，方向相反，互相抵消。 當(dāng)卡諾循環(huán)數(shù)無限增加時，鋸齒形過程曲線無限接近于用紅色線表示的可逆循環(huán)。PV絕熱線等溫線OdQ1T1dQ2T2對于每一個卡諾循環(huán)有：d對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+dQQd對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：QQd對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：Td0=QQQd對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：Td0=PVab1201ab12設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷的可逆循環(huán)QQQd對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：Td0=PVab1201ab1

13、2設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷的可逆循環(huán)TdTdTd+1a 22b1=QQQQQQ可逆d對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：Td0=PVab1201ab12設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷的可逆循環(huán)TdTdTd+1a 22b1=0=QQQQQQ可逆d對于每一個卡諾循環(huán)有：0=1T12T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：Td0=PVab1201ab12設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷的可逆循環(huán)TdTdTd+1a 22b1=0=因為過程是可逆的，所以QQQQQQ可逆d對于每一個卡諾循環(huán)有：0Q=1T1Q2T2+d對于整個卡諾循環(huán)有：QTd0=PVab1201ab12設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷的可逆循環(huán)QTdQTdQTd+1a 22b1=0=因為過程是可逆的

14、，所以QTd2b1=QTd1b2可逆QTdQTdQTd+1a 22b1=0=(1)TdTdTd+1a 22b1=0=QTd2b1=QTd1b 2(1)(2)QQQTdTdTd+1a 22b1=0=Td2b1=Td1b 2(1)(2)(1)(2)代入得：QQQQQTdTdTd+1a 22b1=0=Td2b1=Td1b 2(1)(2)(1)(2)代入得：QTd1a 2=QTd1b 2QQQQQTdTdTd+1a 22b1=0=Td2b1=Td1b 2(1)(2)(1)(2)代入得：Td1a 2=Td1b 2此式表明，對于一個可逆過程QdT只決定于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，QQQQQQQTdTdTd+1a 2

15、2b1=0=Td2b1=Td1b 2(1)(2)(1)(2)代入得：Td1a 2=Td1b 2此式表明，對于一個可逆過程dT只決定于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，而與過程無關(guān)。QQQQQQQQTdTdTd+1a 22b1=0=Td2b1=Td1b 2(1)(2)(1)(2)代入得：Td1a 2=Td1b 2此式表明，對于一個可逆過程dT只決定于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，而與過程無關(guān)。于是可以引入一個只決定于系統(tǒng)狀態(tài)的態(tài)函數(shù)熵S 。QQQQQQQQ二、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一個不可逆循環(huán)1 b 2 a 10可以證明若系統(tǒng)經(jīng)歷一個可逆循環(huán)T1dQ0=克勞修斯等式可逆若系統(tǒng)經(jīng)歷一個不可逆循環(huán)T1dQ0克勞修斯

16、不等式不可逆TdQTT+1b 22a1=111dQdQ1b2a11221PVab120可逆不可逆dQTT+1b 22a111dQ0TdQ112熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式dQTdS無限小的過程微分形式dQTT1b 21a211dQS2 S1dQTS2 S1 =1可逆21dQdQTT1b 21a2110TdQ112S2 S1四、熵增加原理S2 S1 0dS0得到 這證明熱力學(xué)體系從一個平衡態(tài)絕熱地到達(dá)另一個平衡態(tài)的過程中,體系的熵永不減少若過程是不可逆絕熱過程，則熵增加若過程是可逆絕熱過程，熵不變；熵增加原理dQTdS如果，系統(tǒng)經(jīng)歷絕熱過程，有：dQ = 0S2 S1dS00熵增加原理孤立體系內(nèi)的

17、過程必定為絕熱過程，所以熵增原理又表述成：一個孤立體系的熵永不減少。一切實際過程都是不可逆過程，因此自然界的熵總是增加的。五、熵的計算四、熵的計算為了正確計算熵變，必須注意以下幾點：四、熵的計算為了正確計算熵變，必須注意以下幾點： 1. 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) 四、熵的計算為了正確計算熵變，必須注意以下幾點： 1. 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) 2. 對于可逆過程熵變可用下式進(jìn)行計算四、熵的計算為了正確計算熵變，必須注意以下幾點： 1. 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) 2. 對于可逆過程熵變可用下式進(jìn)行計算TSd1S2=Q21可逆 四、熵的計算為了正確計算熵變，必須注意以下幾點： 1. 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函

18、數(shù) 2. 對于可逆過程熵變可用下式進(jìn)行計算TSd1S2= 3. 如果過程是不可逆的不能直接應(yīng)用上式。Q21可逆 四、熵的計算為了正確計算熵變，必須注意以下幾點： 1. 熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) 2. 對于可逆過程熵變可用下式進(jìn)行計算TSQd1S2= 3. 如果過程是不可逆的不能直接應(yīng)用上式。由于熵是一個態(tài)函數(shù)，熵變和過程無關(guān)，可以設(shè)計一個始末狀態(tài)相同的可逆過程來代替，然后再應(yīng)用上式進(jìn)行熵變的計算。21可逆 PTh 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(PTh 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求

19、：1(kg)冰融成水的熵變。PTh 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求：1(kg)冰融成水的熵變。解：設(shè)想系統(tǒng)與273.15（K）的恒溫?zé)嵩聪嘟佑|而進(jìn)行等溫可逆吸熱過程PTh 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求：1(kg)冰融成水的熵變。解：設(shè)想系統(tǒng)與273.15（K）的恒溫?zé)嵩聪嘟佑|而進(jìn)行等溫可逆吸熱過程TSd1S2=12QPTh= 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求：1(kg)冰融成水的熵變。解：設(shè)想系統(tǒng)與273.15（K）

20、的恒溫?zé)嵩聪嘟佑|而進(jìn)行等溫可逆吸熱過程TSd1S2=12TQQPThm= 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求：1(kg)冰融成水的熵變。解：設(shè)想系統(tǒng)與273.15（K）的恒溫?zé)嵩聪嘟佑|而進(jìn)行等溫可逆吸熱過程TSd1S2=12TQ=hTQPThm= 例1 在=1.0(atm),273.15(K)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求：1(kg)冰融成水的熵變。解：設(shè)想系統(tǒng)與273.15（K）的恒溫?zé)嵩聪嘟佑|而進(jìn)行等溫可逆吸熱過程TSd1S2=12TQ=hT=1334273.15QPThm= 例1 在=1.0(atm),273.15(K

21、)條件下，冰的熔解熱為334kJ.K1)(試求：1(kg)冰融成水的熵變。解：設(shè)想系統(tǒng)與273.15（K）的恒溫?zé)嵩聪嘟佑|而進(jìn)行等溫可逆吸熱過程TSQd1S2=12TQ=hT=1334273.15=1.22kJ.K1)(例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，c=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)c=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：

22、熵變c=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：熵變解：TSd1S2=12QTcdm=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：熵變解：=TSd1S2=12T12cpTTQTcdm=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：熵變解：=TSd1S2=12T12cpTT=mcpTT12TdTQT

23、cdm=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：熵變解：=TSd1S2=12T12cpTT=mcpTT12TdT=mcplnTT12QTcdm=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到 T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：熵變解：=TSd1S2=12T12cpTT=mcpTT12TdT=mcplnTT12=14.18103ln273.15373.15QTcdm=3p例2在恒壓下將1(kg)水從T1 =273.15(K)加熱到

24、T2=373.15(K)，設(shè)水的定壓比熱為4.1810(J.kg1.K1)求：熵變解：=TSQd1S2=12T12cpTT=mcpTT12TdT=mcplnTT12=14.18103ln273.15373.15=1.30103J.K1)(PTV1 例3 求mol理想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PTV1 例3 求mol理想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PV=dEd+T dS解：PTV1 例3 求mol理想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PV=dEd+T dSPV=dEd+dSTT解：CPTV+1 例3 求mol理

25、想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PV=dEd+T dSPV=dEd+dSTT=VdTTRVdV解：CPSTV+=1 例3 求mol理想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PV=dEd+T dSPV=dEd+dSTT=VdTTRVdVSS0解：CPSTV+=1 例3 求mol理想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PV=dEd+T dSPV=dEd+dSTT=VdTTRVdVSS0=TT0CVdTTVV0RVdV+解：CPSTV+=1 例3 求mol理想氣體從初態(tài)(),PTV0()00,變化到一個末態(tài)時的熵變。PV=dEd+T dSPV=dEd+dSTT=VdTTRVdVSS0=TT0CVdTTVV0RVdV+=CVlnTT0RlnVV0+解：CPSTV+=1 例3