2023-2024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 一切热力学过程必须满足热力学第一定律，反过来，满足热一律的过程是否一定能实现呢？ 大量实验证明，满足热一律的循环过程不一定能实现 例如： （1）功 热 全部 自动地全部 （2） 高温物体 低温物体 热量自动地 （3）气体的自由膨胀 综上所述，可以看出一切与热现象有关的实际宏观过程都是按一定方向进行，相反方向的过程不能自动的发生或者说可以发生，但必然会产生其他后果或周围的物体发生变化 例 一卡诺热机，当高温热源为127℃,低温热源为27 ℃时，其每次循环对外作得净功为8000J.今维持低温热源的温度，使其每次循环对外所作的净功为10000J，两个卡诺循环都工作在相同的两条绝热线之间。试求第二个循环热机的效率，及第二个循环高温热源的温度。 解：设第二个循环高温热源的温度为T1’ V P D A B C T1’ T2 T1 0 由题设条件两个热机工作在相同 绝热线之间，且低温热源温度相同， 所以两热机放热相同 简言之，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 实际表明，自然过程进行具有方向性，这种方向性遵从什么规律？它的微观本质是什么？如何定量的表示这一规律？表示这一规律的就是热力学第二定律。 把每一个实际宏观过程的不可逆性表述一下就是热二律的一个叙述形式。 通常采用以下两种叙述： 一、克劳修斯表述 克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。 或：热量不可能自动地从低温物体传到高温 物体去。 注意： （1）“自动地”和“而不引起其他变化” （2）利用制冷机就可将热量从低温物体传到高温物体，但是不是自动地而是引起了其他变化 开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。 或：第二类永动机（单源热机）不可能制成。 二、开尔文表述 热一律告诉我们第一类永动机 无法制成，原因是违背能量守恒定律 那么 的热机能否制成呢？ 若能制成，根据热机效率公式，Q2=0，那么可以不需要低温热源，而从单一热源吸热，完全对外做功。 实践表明：这只是一种幻想，不能实现，从而总结出： 这种叙述要注意几个条件： （1）循环动作：单一过程吸热完全用来作功有可能（比如：等温膨胀），而循环过程热量全部用来作功是不可能的。 （2）一个热源：是指温度均匀，并且恒定不变的 热源 （3）其他物体不发生任何变化 这两种叙述形式不同，但是内容等同，实质一致，互相等价，违反其一，必然违反其二。 热二律还有其他表述形式，各种表述形式有内在联系，本质是统一的 说明： （1）热一律和热二律两者并不抵触也不相互包含 是两条相互独立的定律。 （2）热一律和热二律相辅相成，只有同时满足 热一 、热二的过程才能实现。 （3）热二律描述的是过程进行的方向和限度 方向方面：第二类永动机不可能实现 限度方面： 热一律指出能量转换的数量关系 热二律指出过程进行的方向性 例1、证明在P-V图上两条绝热线不能相交 P V I II A III 证明:运用反证法 假设两条绝热线I、II交于点A 构造一条等温线III(如图)，使它与两条绝热线构成一正循环 该循环中只有等温过程系统吸热， 无放热过程 违反热力学第二定律的开尔文表述，所以两绝热线不能相交 下列循环过程是否能实现 可能 不可能 不可能 不可能 等温 绝热 等容 （1） P V 等温 绝热 等容 （2） P V 等压 绝热 绝热 （3） P V 等温 绝热 绝热 （4） P V （2）热传导的过程。 热量由高温→低温 （自发进行）； 但是，热量由低温→高温，必须伴随其他过程，如：必须有外界对系统做功的过程。 （3）气体绝热自由膨胀过程。 绝热自由膨胀 （自发进行）； 但是，绝热收缩时，必须伴随其他过程，如外界必须做功。 还有： 系统由非平衡态向平衡态的过渡的过程；扩散过程；不同流体的混合过程；各种爆炸过程等。 如果一个过程一旦发生，无论通过何种途径都不能使得系统和外界都回到原来状态而不产生其他影响。 1、不可逆过程 A B P V （1）不可逆过程不是不能向着相反方向进行的过程。 一、不可逆和可逆过程 注意： （2）不可逆过程是指正方向能自发进行，反方向不能自发进行。 $$