2022-2023学年高二物理竞赛课件：热力学第二定律

热力学第二定律 热力学第二定律 一、热力学第二定律的表述 热力学第二定律是关于自然过程方向的一条基本的、普遍的定律，它较热力学第一定律层次更深。 1.开氏表述（Kelvin, 1851, 英） 不可能制造一种循环动作的热机，只从一个热源吸收热量，使之完全变成有用的功，其他物体不发生任何变化。 开氏表述 A = Q Q T η与T1、T2温差有关，与工作物质无关。 卡诺循环必须有高温和低温两个热源。 2.卡诺制冷机 Q2 A 工质 Q1＝A＋Q2 高温热源T1 低温热源T2 卡诺制冷机循环过程与热机相反，引入制冷系数表示 其它循环计算 热源是指温度均匀的恒温热源; 循环动作是指一个循环过程，而且其它物体没有变化； 的热机（第二类永动机）是不可能制造的。 2. 克氏表述（Clausius，1850） 热量不能自动地从低温物体传向高温物体。 “自动地”表示一种自发过程。 这里指出热力学过程是具有方向性的。 热力学第二定律两种表述的等价性 可以证明： 两种表述是等价的。即开氏表述成立，则克氏表述也成立；反之亦然。（证明略） 可逆过程和不可逆过程 在过程 P 中，物体从状态 A 变成状态 B 。若能使物体沿逆向变化，从 B 返回 A ，周围一切也都各自回复原状，称过程 P 是可逆过程。反之，若不能实现返回，称之为不可逆过程。 自然过程方向性的实例 功  热 可以自动地进行 热  功 能否自动地进行？ 例1．功热转换的方向性 “热自动地转换为功的过程不可能发生”， “通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的”。 例2.热传导的方向性 热量可以自动地从高温物体传向低温物体， 但相反的过程却不能发生。 初态 末态 实例：生命过程是不可逆的： 出生  童年  少年  青年 中年  老年  公墓 不可逆！ 例3.气体绝热自由膨胀方向性 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的 “今天的你我 怎能重复 昨天的故事!” “一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的” ——热力学第二定律实质 一系列无限接近于平衡状态的中间状态所组成的准静态过程是可逆过程。 定理表述： 工作在相同温度的高、低温热源之间的一切可逆机的效率都相等，与工作物质无关。 工作在相同温度的高、低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。 指明了提高热机效率的途径： 一是从过程上看，应使实际不可逆机尽可能接近可逆机 二是从热源上看，应尽可能拉大温差。一般采用提高高温热源的温度的方法。 牛顿第二定律定义质量 热力学第一定律定义内能 热力学第二定律定义？ （应反映过程方向） 环路定理定义电势 1. 克劳修斯等式 对于卡诺循环（是可逆循环） |Q2| = -Q2 对于卡诺循环，热温比的代数和等于零 热温比 ：系统从每个热源吸收热量与相应热源的温度的比值。 分成 n 个小卡诺循环分析: 对任意可逆循环 p V O 绝热线 等温线 对任一个卡诺循环，有 (1) (2) 由(1) (2)： 循环： ──克劳修斯等式 R ─ 可逆， ∴ ─ 热温比。 上式说明，对任一系统，沿任意可逆循环过程一周，dQ/T 的积分为零。 $