13-6熱力學(xué)第二定律的表述卡諾定理

熱力學(xué)第一定律說明

一切過程的進(jìn)行都必須遵循能量守恒定律.

熱力學(xué)第二定律則進(jìn)一步說明

并非所有能量守恒的過程均能實(shí)現(xiàn)，自然界中出現(xiàn)的過程具有方向性.例如：2.熱量可以自動(dòng)從高溫物體轉(zhuǎn)向低溫物體，但不會(huì)自動(dòng)從低溫物體轉(zhuǎn)向高溫物體.1.功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但熱不會(huì)全部變?yōu)楣?，而使外界無變化；3.氣體可以自由膨脹，卻不會(huì)自動(dòng)收縮.……

第二定律的提出

1

功熱轉(zhuǎn)換的條件，第一定律無法說明.

2

熱傳導(dǎo)的方向性、氣體自由膨脹的不可逆性問題，第一定律無法說明.熱力學(xué)第二定律

1.開爾文表述

不可能制成一種循環(huán)工作的熱機(jī)，它只從一個(gè)從單一熱源吸取熱量，并使之完全變成有用的功而不引起其他變化.開爾文：從一個(gè)熱源吸熱，使之完全轉(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其它變化是不可能的.開爾文熱力學(xué)第二定律的開爾文表述也可表述為：第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的.

例如：有左方圖示的氣缸由單一熱源吸熱做功，其結(jié)果是氣體體積膨脹.若要使氣體恢復(fù)到原來狀態(tài)，必然要壓縮.這時(shí)環(huán)境要對(duì)系統(tǒng)做功，并得到系統(tǒng)放出的熱。因此，不可能將單一熱源的熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，又無其它影響。熱源溫度T

等溫膨脹過程是從單一熱源吸熱作功，而不放出熱量給其它物體,但它是非循環(huán)過程.12W

W說明(1)吸收的熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功（等溫膨脹）。等溫過程低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)WABCD

卡諾循環(huán)是循環(huán)過程，但需兩個(gè)熱源，且使外界發(fā)生變化.(2)吸收的熱量可以轉(zhuǎn)化為功（熱機(jī)）熱力學(xué)第二定律

也可表述為：“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”歷史上首個(gè)成型的第二類永動(dòng)機(jī)裝置是1881年美國(guó)人約翰·嘎姆吉為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)的零發(fā)動(dòng)機(jī)，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)槠蟮囊喊痹跊]有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。2.克勞修斯表述

不可能把熱量從低溫物體自動(dòng)傳到高溫物體而不引起外界的變化.

克勞修斯：熱從低溫物體傳給高溫物體而不產(chǎn)生其它變化是不可能的.克勞修斯熱力學(xué)第二定律

雖然卡諾致冷機(jī)能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界做功且使環(huán)境發(fā)生變化.

雖然卡諾制冷機(jī)能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功，而這部分功最后又以熱的形式還給環(huán)境.總的結(jié)果是環(huán)境作出了功，得到了熱。高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ制冷機(jī)WABCD說明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體(制冷機(jī))

1

熱力學(xué)第二定律是大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié).

3熱力學(xué)第二定律可有多種說法，每種說法都反映了自然界過程進(jìn)行的方向性

.

2

熱力學(xué)第二定律開爾文說法與克勞修斯說法具有等效性.說明假定單熱機(jī)是可以造成的，則高溫源低溫源Q高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2兩種表述的一致性1、假設(shè)開爾文表述不成立克勞修斯表述不成立即違反其中的一種，必然違反其它各種.高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1

假定熱量能自動(dòng)地從低溫源傳到高溫源，則單熱機(jī)也能造成。兩種表述的一致性2、假設(shè)克勞修斯表述不成立開爾文表述不成立用熱力學(xué)第二定律證明：在pV圖上任意兩條絕熱線不可能相交反證法例1證abc絕熱線等溫線設(shè)兩絕熱線相交于c點(diǎn)，在兩絕熱線上尋找溫度相同的兩點(diǎn)a、b.在ab間作一條等溫線，abca構(gòu)成一循環(huán)過程.在此循環(huán)過程該中VpO這就構(gòu)成了從單一熱源吸收熱量的熱機(jī).這是違背熱力學(xué)第二定律的開爾文表述的.因此任意兩條絕熱線不可能相交.例2：用熱力學(xué)第二定律證明絕熱線與等溫線不能相交于兩點(diǎn)若絕熱線與等溫線相交于兩點(diǎn)，則可作一個(gè)由等溫膨脹和絕熱壓縮準(zhǔn)靜態(tài)過程組成的循環(huán)過程.系統(tǒng)只從單一熱源（等溫過程中接觸的恒定熱源）吸熱Q1.完成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)外作的凈功為W，并一切恢復(fù)原狀.

A12QOVp等溫線絕熱線1

這違背熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，故絕熱線與等溫線不能相交于兩點(diǎn).可逆過程:

在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中,如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài),而不引起其他變化,這樣的過程叫做可逆過程?？赡孢^程與不可逆過程不可逆過程：在不引起其他變化的條件下,不能使逆過程重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，或者雖能重復(fù)但必然會(huì)引起其他變化，這樣的過程叫做不可逆過程。即，可逆過程必須是系統(tǒng)狀態(tài)和外界都能復(fù)原，否則就是不可逆過程.不可逆過程的實(shí)例(1)力學(xué)(無摩擦?xí)r)xm過程可逆（有摩擦?xí)r）不可逆(2)熱功轉(zhuǎn)換不可逆熱剎車摩擦生熱烘烤車輪，車不開功向熱轉(zhuǎn)化的過程是不可逆的?(3)熱傳導(dǎo)不可逆(4)擴(kuò)散不可逆熱量不能自動(dòng)從低溫高溫自由膨脹，不可自動(dòng)收縮一切自發(fā)的實(shí)際過程都是不可逆過程.熱量從高溫自動(dòng)傳向低溫物體的過程是不可逆的.?自由膨脹的過程是不可逆的。?

自然現(xiàn)象大多是不可逆的:破鏡不能重圓，覆水難收，光陰荏苒，流水落花……

(1)準(zhǔn)靜態(tài)過程（無限緩慢的過程）可逆過程的條件

(2)無摩擦力、粘滯力或其它耗散力作功，無能量耗散的過程.可逆過程是一個(gè)理想過程！實(shí)際過程摩擦、散熱總是存在，且不可能為“無限緩慢地進(jìn)行”.可逆過程的條件非準(zhǔn)靜態(tài)過程為不可逆過程。如氣體的自由膨脹過程。非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體

熱傳導(dǎo)

熱功轉(zhuǎn)換完全功不完全熱無序有序自發(fā)非均勻、非平衡均勻、平衡自發(fā)一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)(1)

在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都相等，與工作物質(zhì)無關(guān).

卡諾定理(2)工作在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的一切不可逆熱機(jī)的效率都不可能大于可逆熱機(jī)的效率.(不可逆機(jī))（可逆機(jī)）卡諾定理為我們指出了提高熱機(jī)效率的途徑：（1）盡量增大兩熱源的溫差；（2）盡量減少過程中的不可逆因素.(不可逆機(jī))（可逆機(jī)）

能量不但有數(shù)量多少的問題，而且還有品質(zhì)高低的問題。電能和機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，屬于較高品質(zhì)能量；熱能只有部分可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，能量品質(zhì)較低.

隨著能量傳導(dǎo)，能量的數(shù)目可能不變，但能量品質(zhì)只能下降.能量品質(zhì)能量品質(zhì)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律卡諾定理有用能是受到限制的低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)可利用的能量越多，該能量品質(zhì)越好,反之則差.

能量品質(zhì)有高有低，可以從其可被利用的價(jià)值來看：煤、石油、天然氣等能源儲(chǔ)存的能量是高品質(zhì)的，因?yàn)樗鼈兒哪芰渴歉叨扔杏玫?，可以轉(zhuǎn)為機(jī)械能、電能等供人類使用，而高品質(zhì)的能量被耗散時(shí)，被降級(jí)為不大可用的形式，如內(nèi)能。因此，能量耗散雖不會(huì)使能的總量減少，但能源會(huì)減少，所以我們必須節(jié)約能源。能量品質(zhì)例1.以下說法是否正確?(1)功可以完全轉(zhuǎn)化為熱,但熱量不能完全轉(zhuǎn)化為功;(2)一切熱機(jī)的效率都只能小于1;(3)熱量不能從低溫物體向高溫物體傳遞;(4)熱量從高溫物體向低溫物體傳遞是不可逆的.

例題2

根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知：（A）功可以全部轉(zhuǎn)換為熱，但熱不能全部轉(zhuǎn)換為功（B）熱可以從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體（C）不可逆過程就是不能向相反方向進(jìn)行的過程（D）一切自發(fā)過程都是不可逆的．（D）例題3“理想氣體和單一熱源接觸作等溫膨脹時(shí)，吸收的熱量全部用來對(duì)外做功．”對(duì)此說法，有如下幾種評(píng)論，哪種是正確的？

（A）不違反熱力學(xué)第一定律，但違反熱力學(xué)第二定律（B）不違反熱力學(xué)第二定律，但違反熱力學(xué)第一定律