熱力學(xué)第二定律的表述 卡諾定理

§13-6熱力學(xué)第二定律的表述卡諾定理一、熱力學(xué)第二定律常見的兩種表述1.自然過程的方向①功熱轉(zhuǎn)換通過摩擦而使功變熱的過程是不可逆的；或熱不能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為功；或熱全部變成功的過程是不可能的。功熱轉(zhuǎn)換過程具有方向性。②熱傳導(dǎo)熱量由高溫物體傳向低溫物體的過程是不可逆的；或熱量不能自動(dòng)地由低溫物體傳向高溫物體。③氣體的絕熱自由膨脹

氣體向真空中絕熱自由膨脹的過程是不可逆的。④一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的自然界與熱現(xiàn)象有關(guān)的所有實(shí)際宏觀自發(fā)過程都具有

方向性。2.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述(1851年)

不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，只從單一熱源吸取

熱量，使之全部變?yōu)橛杏玫墓?，而其它物體不發(fā)生任

何變化。在不引起其他變化的條件下，把吸收的熱全部轉(zhuǎn)換成機(jī)械功是不可能的，但是，相反的過程卻完全可能發(fā)生，如摩擦生熱現(xiàn)象。熱與功的轉(zhuǎn)換過程具有方向性，是不可逆的。3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述(1850年)

熱量不可能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體。熱傳導(dǎo)過程具有方向性，也是不可逆的。4.熱力學(xué)第二定律的兩種表述又可簡(jiǎn)述為(1)開爾文表述：第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。(2)克勞修斯表述：理想制冷機(jī)不可能制成。

從單一熱源吸熱，并將其全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)，叫第二類永動(dòng)機(jī)（效率為100%）。雖不違反熱力學(xué)第一定律，但實(shí)踐證明第二類永動(dòng)機(jī)也是不可能制成的。否則只要把海水冷卻1K,就會(huì)給出1021KJ的熱量,相當(dāng)于1014T煤完全燃燒所提供的熱量。能夠不需要外界作功而把熱量從低溫物體傳向高溫物體的裝置，稱為理想制冷機(jī)。

永動(dòng)機(jī)的設(shè)想圖5.兩種表述的等效性如果開爾文表述成立，則克勞修斯表述也成立，反之亦然。(1)反證法，如果開爾文表述不成立，那么克勞修斯表述也不能成立。假設(shè)，熱量(Q1)可以全部轉(zhuǎn)變成有用功(A)，則熱量(Q2)卻自動(dòng)的從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩础?2)如果克勞修斯表述不成立，開爾文表述也不成立。假設(shè)，熱量(Q2)可以自動(dòng)從低溫(T2)物體傳向高溫

(T1)物體，這將導(dǎo)致熱可以全部用來(lái)對(duì)外界作功

(A=Q1-Q2)。6.熱力學(xué)第二定律的適用范圍少數(shù)粒子組成的系統(tǒng)不適用。只適用與封閉的系統(tǒng)，不適用與開放的宇宙。7.熱力學(xué)第三定律：（thirdlawofthermodynamics）（能斯脫定理）當(dāng)溫度近于絕對(duì)零度時(shí)，一個(gè)化學(xué)均勻的系統(tǒng)的熵趨于一個(gè)極限值，這個(gè)極限值可以取作零，而與系統(tǒng)的其他狀態(tài)參量如壓強(qiáng)、密度等無(wú)關(guān)?！萌魏畏椒ǘ疾荒苁瓜到y(tǒng)達(dá)到絕對(duì)零度。1.可逆過程(reversibleprocess)

設(shè)有一個(gè)過程，使物體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，對(duì)它來(lái)說，如果存在另一個(gè)過程，它不僅使物體進(jìn)行反向變化，從狀態(tài)B恢復(fù)到狀態(tài)A，而且，周圍一切也都各自回復(fù)原狀，則狀態(tài)A→B的過程是可逆過程。反之,如果用任何方法都不能使物體和外界恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這樣的過程稱不可逆過程。二、可逆與不可逆過程2.可逆過程是一種理想的過程

只有無(wú)摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程才是可逆過程。通常準(zhǔn)靜態(tài)過程總是指可逆過程。(為了理論上分析實(shí)際過程的規(guī)律，引入理想化的概念)。實(shí)際上，不可逆過程是普遍存在的。自然界的一切自發(fā)過程，都是不可逆過程。3.自發(fā)過程(1)自發(fā)過程：自然界中不受外界影響而能夠自動(dòng)發(fā)生的過程稱自發(fā)過程。自發(fā)過程是孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過程(2)自發(fā)過程的共同特征①系統(tǒng)中原來(lái)存在著某中不平衡因素。例如：氣體的自由擴(kuò)散——密度或壓強(qiáng)不平衡。熱傳導(dǎo)——溫度不平衡。②自發(fā)過程中存在摩擦等耗散因素。例如：功轉(zhuǎn)換為熱——摩擦阻力等耗散因素。(3)自發(fā)過程進(jìn)行的方向自發(fā)過程的方向總是由不平衡趨向平衡。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是揭示了自然界中一切自發(fā)過程都是單方向進(jìn)行的不可逆過程。例如：熱傳導(dǎo)、功熱轉(zhuǎn)換、氣體自由膨脹、燃燒過程、擴(kuò)散過程、生命過程等都是不可逆過程。4.可逆過程與不可逆過程舉例(1)單擺、彈簧諧振子

如果單擺不受空氣的阻力和其他摩擦力的作用，則單擺的擺動(dòng)是一可逆過程。彈簧諧振子不考慮摩擦等阻力，其振動(dòng)也是可逆過程。由此可見，單純的、無(wú)機(jī)械能耗散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程是

可逆過程。

(2)氣體的可逆膨脹和壓縮

只有當(dāng)外界壓強(qiáng)總比系統(tǒng)大一無(wú)限小量—緩緩壓縮時(shí)；或當(dāng)外界壓強(qiáng)總比系統(tǒng)小一無(wú)限小量—緩緩膨脹時(shí)，才是可逆過程。(3)摩擦生熱

通過摩擦,功變?yōu)闊崃康倪^程是不可逆過程。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能通過循環(huán)過程全部變?yōu)楣Γ虼送ㄟ^摩擦轉(zhuǎn)換為熱量的過程就是不可逆過程。(4)氣體的絕熱自由膨脹

氣體向真空中絕熱自由膨脹的過程是不可逆的。如果將氣體等溫的再壓回到A室，使氣體回到初始狀態(tài)，必須對(duì)氣體作功，所作的功轉(zhuǎn)化為氣體向外界傳出的熱量，根據(jù)熱力學(xué)第二定律無(wú)法通過循環(huán)過程再將這些熱量完全轉(zhuǎn)化為功。所以，氣體對(duì)真空的自由膨脹過程是不可逆過程。1.可逆機(jī)由可逆循環(huán)組成的熱機(jī)稱可逆機(jī)。卡諾循環(huán)中的每個(gè)過程都是平衡過程，卡諾循環(huán)是理想的可逆循環(huán)。2.卡諾定理(1)在相同的高溫(溫度為T1)和低溫(T2)的熱源之間工作的一切可逆機(jī)，其效率相等，且與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)。三、卡諾定理（Carnot’stheorem）3.卡諾定理的意義(1)給出了熱機(jī)效率的極限；