PPT《第二章 热力学第二定律》

在T

1、T2 之间设计一热机 R,它从高温热源吸热 Q2,使其对环境作功 W,并对低温热源放热 Q1 (如图);

这样,环境得功 W,高温热源无热量得失,低温热源失热: Q2- Q1 = W 即总效果是:从单一热源 T1 吸热 (Q2?Q1) 全部变为功 (W) 而不发生其他变化,即Kelvin 表达不成立 (非B成立);

即:由非A ? 非B , ? B ? A 由I、II 成立:A ? B ,且B?A?表述 A = 表述 B即热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述等价.

二、关于热力学第二定律表述的几点说明 1. 第二类永动机不同于第一类永动机,它必须服从能量守恒原理,有供给能量的热源,所以第二类永动机并不违反热力学第一定律.它究竟能否实现,只有热力学第二定律才能回答.但回答是: 第二类永动机是不可能存在的. 其所以不可能存在,也是人类经验的总结. 2.对热力学第二定律关于 不能仅从单一热源取出热量变为功而没有任何其他变化 这一表述的理解,应防止两点混淆:i)不是说热不能变成功,而是说不能全部变为功.因为在两个热源之间热量流动时,是可以有一部分热变为功的,但不能把热机吸收的的热全部变为功. ii)应注意的是:热不能全部变成功而没有任何其他变化.如理想气体等温膨胀:?U = 0,Q = W,恰好是将所吸收的热量全部转变为功;

但这时体系的体积有了变化 (变大了) ,若要让它连续不断地工作,就必须压缩体积,这时原先环境得到的功还不够还给体系;

所以说,要使热全部变为功而不发生任何其他变化 (包括体系体积变化) 是不可能的. 3. 一切自发过程的方向性(不可逆性)最终均可归结为 热能否全部变为功而没有任何其他变化 的问题(如前面举的三例),亦即可归结为 第二类永动机能否成立 的问题.因此可根据 第二类永动机不能成立 这一原理来判断一个过程的(自发)方向. 例如:对于任意过程:A ? B考虑让其逆向进行:B ? A若B?A进行时将组成第二类永动机, 由于 第二类永动机不成立 , 即B?A 不成立故可断言,A ? B 过程是自发的. i)存在的问题:根据上述方法来判断一个过程的 (自发) 方向还是太笼统、抽象;

要考虑 其逆过程能否组成第二类永动机 ,往往需要特殊的技巧,很不方便;

同时也不能指出自发过程能进行到什么程度为止. ii)解决的方向:最好能象热力学第一定律那样有一个数学表述,找到如 U 和H那样的热力学函数 (只要计算?U、?H 就可知道过程的能量变化 ).在热力学第二定律中是否也能找出类似的热力学函数,只要计算函数变化值,就可以判断过程的 (自发) 方向和限度呢? iii)回答是肯定的!已知一切自发过程的方向性,最终可归结为热功转化问题.因此,我们所要寻找的热力学函数也应该从热功转化的关系中去找;

这就是下面所要着手讨论的问题. §2.4 卡诺循环

一、生产实践背景热功转化问题是随着蒸汽机的发明和改进而提出来的;

蒸汽机(以下称作热机,它通过吸热作功)循环不断地工作时,总是从某一高温热库吸收热量,其中部分热转化为功,其余部分流入低温热源(通常是大气). 随着技术的改进,热机将热转化为功的比例就增加.那末,当热机被改进得十分完美,即成为一个理想热机时,从高温热库吸收的热量能不能全部变为功呢?如果不能,则在一定条件下,最多可以有多少热变为功呢?这就成为一个非常重要的问题.