大學(xué)物理第7章課件

1、大 學(xué) 物 理目 錄第二篇 熱學(xué)第6章氣體動理論第7章熱 力 學(xué)目 錄第七章 熱 力 學(xué)第一節(jié)熱力學(xué)第一定律第二節(jié)循環(huán)過程 卡諾循環(huán)第三節(jié)熱力學(xué)第二定律第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)是研究理想氣體熱現(xiàn)象和熱運動的宏觀理論.熱力學(xué)的主要理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律.熱力學(xué)第一定律實質(zhì)上是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和守恒定律.第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律 內(nèi)能 功 熱量與熱容 一、內(nèi)能1.前面定義了系統(tǒng)的內(nèi)能，內(nèi)能是指系統(tǒng)內(nèi)所有粒子的無規(guī)則運動能量與粒子間相互作用勢能的總和.實驗證明，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，內(nèi)能的變化量只決定于系統(tǒng)的初末狀態(tài)，而與狀態(tài)變化所經(jīng)歷的具體過程無關(guān)，即熱力學(xué)系統(tǒng)在一定狀態(tài)

2、下應(yīng)具有一定的內(nèi)能.因此，內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù). 總之，氣體的內(nèi)能是氣體狀態(tài)的單值函數(shù).本節(jié)將用熱力學(xué)的宏觀方法來研究系統(tǒng)的內(nèi)能，而無須考慮系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)，主要從能量的觀點出發(fā)來研究系統(tǒng)內(nèi)能的變化與功和熱量之間的關(guān)系.第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律功2.外界對系統(tǒng)做功是引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的基本方式之一.例如，活塞壓縮氣體，活塞對氣體做功，氣體的狀態(tài)發(fā)生變化.在力學(xué)中，人們把功定義為力與位移這兩個矢量的標積，即dW=Fdr外力對物體做功的結(jié)果會使物體的狀態(tài)發(fā)生變化，在做功的過程中，它們之間有能量的交換.在熱力學(xué)中，功的概念要廣泛得多.第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)主要以氣體為研究對象，因為非靜態(tài)過程中氣

3、體的狀態(tài)參量p、V、T不確定，所以外界對系統(tǒng)所做的功無法定量描述，一般用實驗來測定.而在準靜態(tài)過程中，外界對系統(tǒng)所做的功或系統(tǒng)對外界所做的功都可以利用狀態(tài)參量來定量計算.本書只討論準靜態(tài)過程中由于氣體的體積發(fā)生變化而做的功.第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律如圖7- 1所示，以氣缸中氣體的膨脹過程為例來計算準靜態(tài)過程中系統(tǒng)對外界所做的功.設(shè)活塞面積為S，氣體的壓強為p，則作用在活塞上的力為F=pS，活塞與氣缸壁的摩擦忽略不計. 可認為氣體壓強為p，處處均勻且不變，因此為準靜態(tài)過程.在此過程中，氣體推動活塞對外界所做的元功為 dW=Fdl=pSdl=pdV (7- 1)圖7- 1 氣體膨脹做功第一節(jié) 熱力學(xué)

4、第一定律式中，dV=Sdl為活塞移動dl時，氣體體積的微小增量.當(dāng)氣體膨脹時，dV0，從而dW0，表示系統(tǒng)對外界做正功；當(dāng)氣體被壓縮時，dV0，從而dWV1)過程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外所做的功；反之，在等溫壓縮(V2pT第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律為便于使用，表7- 5列出了理想氣體在各準靜態(tài)過程中的一些主要規(guī)律和公式.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)在歷史上，熱力學(xué)理論的發(fā)展是與熱機的工作過程密切聯(lián)系在一起的.所謂熱機，就是利用某種物質(zhì)不斷地把吸收的熱量轉(zhuǎn)換為機械功的裝置，如蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機等.在熱機中被用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì)稱為工作物質(zhì)，簡稱工質(zhì).由前面的學(xué)習(xí)可知，要實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換

5、并不困難.例如，在理想氣體的等溫膨脹過程中，氣體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)換成了機械功.從表面上看，這個過程是最有利的，熱功轉(zhuǎn)換的效率達到了100%第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)但是，只靠單一的等溫膨脹過程無法連續(xù)地把熱能轉(zhuǎn)換為機械能，也就無法構(gòu)成實用的熱機.因為氣缸的長度總是有限的，氣體不可能無限制地膨脹下去；即使不切實際地把氣缸做得無限長，但隨著過程的進行，氣體的體積越來越大，壓強則越來越小，當(dāng)氣體的壓強減小到與外界壓強相等時，氣體就無法再對外做功了.顯然，要想連續(xù)地進行這種熱功轉(zhuǎn)換，必須使工作物質(zhì)能夠從它做功后的狀態(tài)再回到原來的初始狀態(tài)，并且能重復(fù)進行下去.為了研究熱機的工作過程，我們引入循環(huán)過程的概

6、念.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán) 循環(huán)過程 一、系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列狀態(tài)變化過程以后，又回到初始狀態(tài)的整個過程，稱為循環(huán)過程，簡稱循環(huán).循環(huán)一般由多個不同的分過程組成，如果每個分過程都是準靜態(tài)過程，在p- V圖上可用一條閉合曲線來表示，如圖7- 9中的abcda就表示一個準靜態(tài)循環(huán)過程,其中箭頭表示過程進行的方向.圖7- 9 循環(huán)過程第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)因為系統(tǒng)(工作物質(zhì))的內(nèi)能是狀態(tài)的單值函數(shù)，所以每完成一次循環(huán)，系統(tǒng)的內(nèi)能保持不變，即dE0，這是循環(huán)過程的基本特征.按過程進行的方向，可以把循環(huán)過程分為兩類.在p- V圖上，若循環(huán)是沿順時針方向進行的，則稱為正循環(huán)；相反，若循環(huán)

7、是沿逆時針方向進行的，則稱為逆循環(huán).正循環(huán)代表熱機的工作過程，蒸汽機、內(nèi)燃機等熱機的工作過程都可以抽象為一個正循環(huán)過程；逆循環(huán)代表制冷機的工作過程，冰箱、空調(diào)等制冷機的工作過程都可以抽象為一個逆循環(huán)過程.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)熱機 熱機效率1.圖7- 10(a)所示的abcda為一個正循環(huán)過程.在膨脹過程abc中，系統(tǒng)對外界做功W1，其數(shù)值等于曲線abc下的面積；在壓縮過程cda中，外界對系統(tǒng)做功W2，其數(shù)值等于曲線cda下的面積.圖7- 10 正循環(huán)過程（a）p- V圖 （b）能流圖第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)熱量交換的情況是：系統(tǒng)在膨脹過程abc中內(nèi)能增加，因而將從高溫?zé)嵩次諢崃縌1；

8、在壓縮過程cda中內(nèi)能減小，因而將向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2，在整個循環(huán)過程中，系統(tǒng)吸收的凈熱量Q=Q1Q2因為一次循環(huán)中內(nèi)能的增量E=0，所以由熱力學(xué)第一定律可得 Q1Q2=W即系統(tǒng)吸收的凈熱量等于它對外界所做的凈功.對上式進行變形，可得 Q1=W+Q2第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)熱機效率是熱機循環(huán)的一個重要的性能指標，它定義為：在一次循環(huán)過程中，系統(tǒng)對外界所做的凈功W與從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1的比值，用來表示，即 (7- 25)可見，熱機效率表示系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1中究竟有多大比例轉(zhuǎn)化為對外輸出的有用功.注意，式(7- 25)中的各個量都只代表大小.對于不止一個吸熱或放熱過程的循環(huán)來說，

9、Q1表示整個循環(huán)過程中吸收熱量的總和，Q2表示整個循環(huán)過程中放出熱量的總和.由于吸收的熱量Q1不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，因此熱機的效率永遠小于1第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)熱能是當(dāng)今世界的主要能源，熱機是實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的主要設(shè)備.一般常用的蒸汽機、內(nèi)燃機等，都是利用不同的正循環(huán)過程不斷地將熱量通過內(nèi)能再轉(zhuǎn)換為功的，它們的構(gòu)造雖然不同，但工作原理卻是相同的.對于熱機，在實踐中和理論上，人們都很關(guān)注它的效率.不同種類的熱機的工質(zhì)不同，組成循環(huán)的分過程也不同，所以熱機的效率往往是不同的.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)制冷機 制冷系數(shù)2.制冷機的工作過程與熱機相反，如圖7-11(a)所示的adcba就是

10、代表制冷機工作過程的一個逆循環(huán).由圖可以看出，系統(tǒng)在adc過程中內(nèi)能在增加，同時對外做功，因而將從低溫?zé)嵩次諢崃縌2；系統(tǒng)在cba過程中內(nèi)能在減少，同時外界對系統(tǒng)做功，因而將向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌1在整個循環(huán)過程中，系統(tǒng)吸收的凈熱量Q=Q2Q1，而系統(tǒng)對外界所做的凈功為負值，這表明是外界對系統(tǒng)做凈功W，其數(shù)值仍等于閉合曲線所包圍的面積.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)圖7- 11 逆循環(huán)過程（a）p- V圖 （b）能流圖第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)完成一次循環(huán)，系統(tǒng)的內(nèi)能保持不變，即E=0，所以由熱力學(xué)第一定律可得 Q2Q1=W則外界對系統(tǒng)所做的凈功為 W=Q1Q2從而 Q1=Q2+W 上式表明，逆循

11、環(huán)過程中向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃康扔谙到y(tǒng)從低溫?zé)嵩次盏臒崃颗c外界對系統(tǒng)所做的凈功之和，即逆循環(huán)是在外界對系統(tǒng)做功的條件下，使熱量由低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f，從而使低溫?zé)嵩吹臏囟冉档停_到制冷的效果.這就是制冷機的工作原理，其能流圖如圖7- 11(b)所示.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)由于制冷機的目的是從低溫?zé)嵩次諢崃?，而實現(xiàn)該目的要以外界對系統(tǒng)做功為代價，因此，最佳的制冷機應(yīng)該是消耗最少的功W，從低溫?zé)嵩次兆疃嗟臒崃縌2因此，用來衡量制冷機性能的制冷系數(shù)定義為：在一次循環(huán)中，系統(tǒng)從低溫?zé)嵩次盏臒崃縌2與外界對系統(tǒng)所做的凈功W之比，即 (7- 26)第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán) 可見，制冷系數(shù)表示

12、對系統(tǒng)做單位功時可從低溫?zé)嵩次叨嗌贌崃?顯然，越大，制冷機的制冷效果就越好.同樣，式（7- 26）中的各個量都只代表大小.需要注意的是，熱機的效率總是小于1的，而制冷機的制冷系數(shù)則往往是大于1的.在掌握效率和制冷系數(shù)的公式時，應(yīng)該注意兩者在定義時有一個共同的特點，那就是都把人們所獲取的效益放在分子上，而付出的代價則放在分母上.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán) 二、從19世紀起，蒸汽機在工業(yè)、交通運輸中的應(yīng)用越來越廣泛.但是蒸汽機的效率很低，只有3%5%，這就意味著95%以上的熱量都沒有得到利用.雖然人們在結(jié)構(gòu)上不斷加以改進，盡量減少漏氣、散熱、摩擦等因素的影響，但熱機效率也只有微小的提高

13、.在生產(chǎn)需求的推動下，許多科學(xué)家和工程師開始從理論上來研究熱機的效率問題.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)1824年，法國青年工程師卡諾提出了一個在兩熱源之間工作的理想循環(huán)：假設(shè)在整個循環(huán)過程中，工作物質(zhì)只與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量，從溫度為T1的高溫?zé)嵩次鼰幔驕囟葹門2的低溫?zé)嵩捶艧?，并假定沒有散熱、漏氣等因素存在，所有過程都是準靜態(tài)的.由于過程是準靜態(tài)的，因此與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量的過程必定是等溫過程；又由于只與兩個熱源交換熱量，因此工質(zhì)由高溫T1變到低溫T2或相反的過程，只能是絕熱過程.因此，這種由兩個等溫和兩個絕熱的準靜態(tài)過程組成的循環(huán)，就稱為卡諾循環(huán).按卡諾循環(huán)工作的熱機和制冷機分別稱為卡諾

14、熱機和卡諾制冷機.卡諾循環(huán)的工作物質(zhì)可以是氣體，也可以是液體或固體，為了便于討論，人們以理想氣體為工作物質(zhì).第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)圖7- 12(a)所示為卡諾熱機的p-V圖，曲線ab和cd表示溫度分別為T1和T2的兩條等溫線，曲線bc和da是兩條絕熱線.在完成一個循環(huán)后，系統(tǒng)的內(nèi)能回到原值不變，但系統(tǒng)與外界通過傳遞熱量和做功而有能量交換. 圖7- 12 卡諾熱機（a）p- V圖 （b）能流圖第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)各個分過程的情況如下：（1）ab為等溫膨脹過程.在膨脹過程中，體積由V1增大到V2，溫度保持為T1，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次諢崃縌1，由式(7- 22)可知（2）bc為絕熱膨脹過程.

15、在膨脹過程中，系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，系統(tǒng)在對外做功的同時內(nèi)能減小，溫度降為T2第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)（3）cd為等溫壓縮過程.在壓縮過程中，體積由V3減小到V4，溫度保持為T2，系統(tǒng)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2，為便于計算，取絕對值，即（4）da為絕熱壓縮過程.在壓縮過程中，系統(tǒng)與外界仍沒有熱量交換，外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)內(nèi)能增大，溫度升為T1，回到初始狀態(tài)a，完成了一次循環(huán).第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)根據(jù)熱機效率的定義，可以得出以理想氣體為工質(zhì)的卡諾熱機的效率為第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)由以上討論可以看出：(1)要完成一次卡諾循環(huán)，必須有高溫和低溫兩個熱源.(2)卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源的溫

16、度有關(guān)，而與所用工作物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān).高溫?zé)嵩吹臏囟仍礁撸蜏責(zé)嵩吹臏囟仍降?，卡諾循環(huán)的效率越高，即當(dāng)兩熱源的溫度差越大，從高溫?zé)嵩此〉臒崃縌1的利用價值就越大. (3)由于不可能獲得T1=或T2=0 K的熱源，因此卡諾熱機的效率總是小于1，即不可能把從高溫?zé)嵩此盏臒崃咳坑脕韺ν庾龉?第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)在現(xiàn)代熱電廠中，作為高溫?zé)嵩吹母邏哄仩t溫度可達853K，而作為低溫?zé)嵩吹睦淠鞯臏囟燃s為303K，如果按卡諾循環(huán)計算，其效率應(yīng)為64.5%，但實際熱機的效率最高只有約36%.這是因為實際循環(huán)與卡諾循環(huán)相差很多。例如，熱源并不是恒溫的，而且它進行的過程也不是準靜態(tài)的.盡管如此，式(

17、7-27)對實用熱機仍具有重要的指導(dǎo)意義，因為它為提高熱機效率指明了方向，這是除了減少損耗外，提高熱機效率的途徑，現(xiàn)代熱電廠中要盡可能提高鍋爐的溫度就是這個道理.雖然在理論上降低冷凝器的溫度也可以提高效率，但要降到室溫以下，實際上很困難，而且經(jīng)濟上也不合算，所以一般不采用這種方式.第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)若卡諾循環(huán)沿逆時針方向進行，則構(gòu)成卡諾制冷機，其p- V圖和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7-13 所示.在等溫膨脹過程dc中，系統(tǒng)從低溫?zé)嵩次盏臒崃縌2為圖7- 13 卡諾制冷機第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)在等溫壓縮過程ba中，系統(tǒng)向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃縌1為第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)可見，卡諾制冷機的制

18、冷系數(shù)也只與兩個熱源的溫度有關(guān).與效率不同的是，高溫?zé)嵩吹臏囟仍礁撸蜏責(zé)嵩吹臏囟仍降?，制冷系?shù)越小，這意味著從溫度越低的低溫?zé)嵩次∠嗤臒崃縌2，外界需要消耗更多的功W在一般的制冷機中，高溫?zé)嵩吹臏囟萒1就是大氣的溫度，所以卡諾制冷機的制冷系數(shù)取決于希望達到的制冷溫度T2例如，家用電冰箱若要保持-3 的箱內(nèi)溫度，箱外的室溫通常為27 ，按式(7- 28)計算，制冷系數(shù)為第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán) 這表示消耗1度的電，可從冰箱內(nèi)最多抽取9 (3.24107 J)的熱量.從做功吸熱的角度來看，使用制冷機是相當(dāng)合算的，實際冰箱的制冷系數(shù)要比這個數(shù)小一些.制冷機向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?Q1=Q2+W

19、)也是可以利用的.從逆向卡諾循環(huán)能降低低溫?zé)嵩吹臏囟葋碚f，它是個制冷機，而從它把熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f給高溫?zé)嵩磥碚f，它又是個熱泵.在近代工程上，熱泵已得到了廣泛的應(yīng)用.雖然卡諾循環(huán)是一種理想循環(huán)，但是它對實際的循環(huán)過程具有重要的指導(dǎo)意義，也為熱力學(xué)第二定律的建立奠定了基礎(chǔ).第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)【例7-3】如圖7- 14所示，一定量理想氣體從a點（初態(tài)）出發(fā)，經(jīng)過一個循環(huán)過程abcda,最后回到初態(tài)a點.設(shè)Ta=300 K,Cp,m=52R,求這個循環(huán)的效率.圖7- 14 例7- 3圖第二節(jié) 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)解：用兩種方法求循環(huán)效率.第一種方法，先求出各等值過程中對氣體所加熱量，然后求出循

20、環(huán)過程吸收的熱量Q1、放出的熱量Q2，再計算效率.依題意，應(yīng)用等體和等壓過程方程，可求得狀態(tài)b、c、d的溫度，它們分別等于第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，任何熱力學(xué)過程都必須遵守?zé)崃W(xué)第一定律.但是，遵守?zé)崃W(xué)第一定律的熱力學(xué)過程是不是就一定能實現(xiàn)呢？無數(shù)的實驗事實表明，并非所有滿足能量守恒的熱力學(xué)過程都能實現(xiàn).例如，熱量可以自動地由高溫物體傳向低溫物體，卻不能自動地由低溫物體傳向高溫物體；運動物體的機械能可以通過克服摩擦力做功而轉(zhuǎn)化為熱能，卻從未見過靜止的物體吸收熱量后，會自動轉(zhuǎn)化成機械能而運動起來；第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律在容器中被隔在一半空間內(nèi)的氣

21、體，當(dāng)抽掉隔板后會向另一半空間膨脹，卻未發(fā)現(xiàn)氣體會自動收縮回到原來的一半空間；水會自動地由高處向低處流動，而不會自動逆向流動.上述大量事實說明，自然界中自發(fā)發(fā)生的熱力學(xué)過程都具有方向性.這就意味著，自然界中除了熱力學(xué)第一定律之外，一定還存在著另一條定律，用它可以判斷過程進行的方向，這就是熱力學(xué)第二定律.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律的表述 一、熱力學(xué)第二定律最初是在研究熱機和制冷機的工作原理及如何提高效率的過程中總結(jié)出來的，它是說明自然界過程進行方向的規(guī)律.關(guān)于任何一個實際過程的方向的說明都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述，但其中最有代表性的是開爾文表述和克勞修斯表述.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定

22、律開爾文表述1.1851年，英國物理學(xué)家開爾文在總結(jié)了前人制造理想熱機的大量實踐后指出：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生任何其他影響.所謂“不產(chǎn)生任何其他影響”是指除了吸熱做功，即由熱運動的能量轉(zhuǎn)化為機械能外，不再有任何其他變化，也就是說熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣κ俏ㄒ坏慕Y(jié)果.雖然在理想氣體的等溫膨脹過程中，吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν馑龅墓?，即實現(xiàn)了完全的熱功轉(zhuǎn)換，但它自身的體積發(fā)生了變化，也就是產(chǎn)生了其他影響.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律因此，這并不違反熱力學(xué)第二定律.在前面討論的熱機循環(huán)過程中，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1，其中一部分Q1Q2用來對外做功，另一部分Q2仍以熱量的形式傳遞給低溫

23、熱源，從而引起了外界的變化.因此，也沒有違反熱力學(xué)第二定律.理想熱機是指效率=1的熱機，即在循環(huán)過程中，系統(tǒng)把從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1全部轉(zhuǎn)化為有用功而不向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃?Q2=0)這種熱機在完成一次循環(huán)后，除了從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1全部對外做了功(W=Q1)外，系統(tǒng)恢復(fù)了原狀，它并不違反熱力學(xué)第一定律.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律然而大量實驗證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個恒溫?zé)嵩矗瑹釞C要不斷地把吸收的熱量轉(zhuǎn)化為有用功就必須把一部分熱量傳給低溫?zé)嵩?因此，人們把這種效率=1的單一熱源的熱機稱為第二類永動機.正如制造第一類永動機的設(shè)想一樣，很多人的努力都以失敗而告終.顯然，它違反了熱力學(xué)

24、第二定律的開爾文表述，是不可能實現(xiàn)的.因此，熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動機是不可能制成的.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律由于功熱轉(zhuǎn)換(機械能轉(zhuǎn)換為熱運動的能量)是可以自發(fā)進行的(如通過摩擦)，所以開爾文表述反映了熱功轉(zhuǎn)換的一種特殊規(guī)律，即自發(fā)過程中能實現(xiàn)的只是功熱轉(zhuǎn)換，而自發(fā)的熱功轉(zhuǎn)換是不可能的.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述2.1850年，德國物理學(xué)家克勞修斯在總結(jié)了人們制造制冷機的大量實踐后指出：熱量不可能自動地從低溫物體傳向高溫物體.雖然制冷機就是把熱量從低溫物體傳到高溫物體的，但在這一熱量傳遞過程中，必須有外界對它做功，使外界消耗能量，可見，熱量也不是自動地從低溫物體傳向高溫物體

25、的.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律由于熱量從高溫物體傳向低溫物體是可以自發(fā)進行的，因此克勞修斯表述反映了熱量傳遞過程的特殊規(guī)律，即自發(fā)過程中能實現(xiàn)的只是熱量從高溫物體傳向低溫物體，而從低溫物體傳向高溫物體是不可能的.應(yīng)當(dāng)指出，與熱力學(xué)第一定律一樣，熱力學(xué)第二定律不能從更普遍的定律推導(dǎo)出來，它是大量實驗和經(jīng)驗的總結(jié)，雖然人們不能直接去驗證它的正確性，但從它得出的結(jié)論與客觀實際相符.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律 兩種表述的等價性 二、開爾文表述主要針對熱功轉(zhuǎn)換的方向性問題，而克勞修斯表述則主要針對熱傳遞的方向性問題.熱力學(xué)第二定律的兩種表述，從表面上看來好像沒有什么聯(lián)系，實際上，兩者是等價的.人們可以采用反證法

26、來證明兩者的等價性.首先，如果開爾文表述不成立，那么克勞修斯表述也不成立.假設(shè)開爾文表述不成立，即可以從高溫?zé)嵩碩1吸收熱量Q1，并把它全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣=Q1，而不產(chǎn)生任何其他影響，如圖7- 16(a)所示.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律這樣，我們可以利用功W去驅(qū)動一臺制冷機，使它從低溫?zé)嵩碩2吸收熱量Q2，最終向高溫?zé)嵩碩1放出熱量Q=W+Q2=Q1+Q2現(xiàn)在，把這兩個循環(huán)一起看成一部復(fù)合制冷機，其凈效果是：不需要消耗任何外界的功，熱量Q2自動地從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩矗鐖D7- 16(b)所示.這顯然違反了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述.圖7- 16 假想制冷機原理圖示第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律其次，如果克

27、勞修斯表述不成立，那么開爾文表述也不成立.假設(shè)克勞修斯表述不成立，即存在一個制冷機不需要外界對它做功，熱量Q2便可以自動地從低溫?zé)嵩碩2傳向高溫?zé)嵩碩1，如圖7- 17(a)所示.現(xiàn)在，可以設(shè)想另有一個熱機，它從高溫?zé)嵩次諢崃縌1，同時向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2，對外做功W=Q1Q2當(dāng)把這兩個循環(huán)一起看成一部復(fù)合熱機時，其凈效果是：低溫?zé)嵩碩2沒有發(fā)生任何變化，而只從單一的高溫?zé)嵩碩1吸收了熱量Q=Q1Q2，全部用于對外做功W=Q1Q2，如圖7-17(b)所示.這顯然違反了熱力學(xué)第二定律的開爾文表述.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律圖7- 17 假想熱機原理圖示第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律 可逆過程與不可逆過程

28、 三、熱力學(xué)第二定律是反映自然過程進行的方向和條件的一個規(guī)律，為了進一步研究熱力學(xué)過程的方向性問題，這里介紹可逆過程與不可逆過程的概念.若一個熱力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程，從狀態(tài)a變到狀態(tài)b如果能使系統(tǒng)進行逆向變化，從狀態(tài)b又回到狀態(tài)a，且外界也同時恢復(fù)原狀，我們稱狀態(tài)a到狀態(tài)b的那個過程為可逆過程.如果系統(tǒng)和外界不能完全恢復(fù)原狀，哪怕只有一點點不能恢復(fù)原狀，那么狀態(tài)a到狀態(tài)b的過程就稱為不可逆過程.可見可逆過程的要求是非常苛刻的，它是一種理想過程.一切實際的熱力學(xué)過程都是不可逆過程.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律單純的無摩擦的機械運動過程都是可逆過程.例如，單擺做無阻尼(無摩擦)的往復(fù)運動，從任一位置出發(fā)

29、后，經(jīng)一個周期又回到原來的位置，且對外界沒有產(chǎn)生任何影響，因此單擺的無阻尼擺動是可逆過程.又如，無摩擦的準靜態(tài)熱力學(xué)過程也是可逆過程.因為在準靜態(tài)的正過程和逆過程中，對于每個微小的中間過程，系統(tǒng)與外界交換的熱量和做的功都正好相反，當(dāng)通過準靜態(tài)的逆過程使系統(tǒng)的末態(tài)返回初態(tài)時，正過程中給外界留下的痕跡在逆過程中正好被一一消除，使外界也完全恢復(fù)了原狀.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律顯然，這里要求的無摩擦與準靜態(tài)在實際中都是很難實現(xiàn)的.根據(jù)前面的分析討論很容易看出，在熱力學(xué)中，比較典型的過程，如自發(fā)的功熱轉(zhuǎn)換、熱傳導(dǎo)及氣體的絕熱自由膨脹等，都是不可逆過程.因此，自發(fā)熱力學(xué)過程的不可逆性正是前面強調(diào)的方向性.與

30、前面所說的熱力學(xué)第二定律多種表述的等效性一樣，人們也可以從一種熱力學(xué)過程的不可逆性判斷另一種熱力學(xué)過程的不可逆性.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律 卡諾定理 四、應(yīng)當(dāng)指出，卡諾循環(huán)中每個過程不僅都是準靜態(tài)過程，而且都是可逆過程.因此，卡諾循環(huán)是理想的可逆循環(huán).由熱力學(xué)第二定律可以證明(此處從略)在熱機理論中非常重要的卡諾定理，其要點如下：（1）在相同的高溫?zé)嵩?溫度為T1)與低溫?zé)嵩?溫度為T2)之間工作的一切可逆熱機，不論采用什么工作物質(zhì)，其效率都等于 .第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律（2）在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機，其效率都不可能高于(實際上是小于)可逆熱機的效率，即 除了在前面已初

31、步討論的提高熱機效率的途徑外，在這里還應(yīng)補充的是，卡諾定理提示人們，應(yīng)當(dāng)使實際的不可逆熱機盡量地接近可逆熱機，這也是提高熱機效率的一個重要因素.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義 五、熱力學(xué)的研究對象是大量無規(guī)則熱運動分子組成的系統(tǒng).從微觀角度來看，任何熱力學(xué)過程都伴隨著大量分子無序運動狀態(tài)的變化，熱力學(xué)第二定律則是說明大量分子熱運動無序程度變化的規(guī)律.下面通過幾種典型的自發(fā)熱力學(xué)過程的實例定性地加以說明.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律熱功轉(zhuǎn)換1.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過程.從微觀角度看，功相當(dāng)于分子做有規(guī)則的定向運動(疊加在無規(guī)則熱運動之上)，而內(nèi)能相當(dāng)于分子做無規(guī)則熱運動.因此，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬倪^程是大量分子的有序運動向無序運動轉(zhuǎn)化的過程，這是可能的；從宏觀角度看是自發(fā)進行的，而相反的過程則是不可能的.因此，功熱轉(zhuǎn)換的自發(fā)過程是向著無序度增大的方向進行的.第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律熱傳導(dǎo)2.兩個溫度不同的物體放在一起，熱量將自動地由高溫物體傳向低溫物體，最后使它們處