材料熱力學(xué)2-2第二

1、授課內(nèi)容授課內(nèi)容第二章 熱力學(xué)第二定律第二章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律只說(shuō)明了隔離體系中能量守恒和能量轉(zhuǎn)換的當(dāng)量問(wèn)題，但不能給出過(guò)程變化的可能性及其限度過(guò)程變化的可能性及其限度。高溫、高壓金剛石石墨)()(CC并非任何變化都朝著人們所希望的方向進(jìn)行并非任何變化都朝著人們所希望的方向進(jìn)行)()()(22gHgCOOHsC)()()(44aqClaqNHsClNH第二章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律只說(shuō)明了隔離體系中能量守恒和能量轉(zhuǎn)換的當(dāng)量問(wèn)題，但不能給出過(guò)程變化的可能性及其限度過(guò)程變化的可能性及其限度。變化的可能性就是過(guò)程的方向問(wèn)題變化的可能性就是過(guò)程的方向問(wèn)題，而限度就是平衡問(wèn)題限度就是平

2、衡問(wèn)題，這兩個(gè)問(wèn)題具有十分重要的實(shí)際意義, 熱力學(xué)第二定律就是要解決這兩個(gè)問(wèn)題。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過(guò)程與不可逆過(guò)程：（不需外力的作用）從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過(guò)程稱(chēng)（不需外力的作用）從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為為自發(fā)過(guò)程自發(fā)過(guò)程。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過(guò)程與不可逆過(guò)程：（不需外力的作用）從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)過(guò)程。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過(guò)程與不可逆過(guò)程：)()(2442gHZnSOSOHsZn第二章 熱力學(xué)第二定律 2-1 自發(fā)過(guò)程與不可逆過(guò)程：自發(fā)變化的共同特征：不可逆性。不可逆性。在沒(méi)有外界影響下，任何自發(fā)變化的逆

3、過(guò)程是不能自動(dòng)進(jìn)行的，又稱(chēng)不可逆過(guò)程。)()(2442gHZnSOSOHsZn第二章 熱力學(xué)第二定律 2-2 可逆過(guò)程： 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中, 如果逆過(guò)程能重如果逆過(guò)程能重復(fù)正過(guò)程的每一狀態(tài)復(fù)正過(guò)程的每一狀態(tài), 而不引起其他變化而不引起其他變化, 這樣的過(guò)程叫這樣的過(guò)程叫做可逆過(guò)程做可逆過(guò)程 .理想氣體：理想氣體： 恒溫膨脹恒溫膨脹 恒溫壓縮恒溫壓縮第二章 熱力學(xué)第二定律 2-2 可逆過(guò)程： 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中, 如果逆過(guò)程能重如果逆過(guò)程能重復(fù)正過(guò)程的每一狀態(tài)復(fù)正過(guò)程的每一狀態(tài), 而不引起其他變化而不引起其

4、他變化, 這樣的過(guò)程叫這樣的過(guò)程叫做可逆過(guò)程做可逆過(guò)程 .金屬絲很細(xì)，導(dǎo)熱很慢，是準(zhǔn)靜過(guò)程；由于很細(xì)，它的影金屬絲很細(xì)，導(dǎo)熱很慢，是準(zhǔn)靜過(guò)程；由于很細(xì)，它的影響可以忽略不計(jì)，因此，是可逆過(guò)程。響可以忽略不計(jì)，因此，是可逆過(guò)程。例如：用很細(xì)的金屬絲相連不同溫度的兩金屬塊，傳熱很慢，保持兩金屬內(nèi)部都不產(chǎn)生溫度梯度。T1T2時(shí)，金屬塊1傳熱給金屬塊2，金屬塊1所放出的熱量= 金屬塊2所獲得的熱量Q。第二章 熱力學(xué)第二定律 每一步無(wú)限接近平衡態(tài)變化量無(wú)限小系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功最大（絕對(duì)值）可逆過(guò)程結(jié)束后系統(tǒng)若沿途徑逆向進(jìn)行回到原狀態(tài)，則環(huán)境也同時(shí)回到原狀態(tài)。(體系變化一個(gè)循環(huán)后，體系和環(huán)境均恢復(fù)原態(tài)，變化過(guò)

5、程中無(wú)任何耗散效應(yīng))可逆過(guò)程僅為一種實(shí)際過(guò)程的抽象，作為處理問(wèn)題的需要。可逆過(guò)程僅為一種實(shí)際過(guò)程的抽象，作為處理問(wèn)題的需要。 2-2 可逆過(guò)程：特點(diǎn)：特點(diǎn)：可逆過(guò)程是可逆過(guò)程是種極限過(guò)程種極限過(guò)程，而實(shí)際過(guò)程可以或多或少地趨近于這個(gè)極限。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-3 自發(fā)過(guò)程與可逆可逆過(guò)程轉(zhuǎn)化 2-3 自發(fā)過(guò)程與可逆過(guò)程轉(zhuǎn)化)(2)()(2:222lOHgOgH例如)()(2)(2222gOgHlOH電解 2-3 自發(fā)過(guò)程與可逆過(guò)程轉(zhuǎn)化第二章 熱力學(xué)第二定律 克勞修斯說(shuō)法：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引不引起其它變化。起其它變化。”如果允許“其它變化”，例如，利用致冷機(jī)做功，熱量

6、便可以從低溫物體傳向高溫物體，而致冷機(jī)做功就屬于“其它變化”。 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說(shuō)法第二章 熱力學(xué)第二定律 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說(shuō)法 開(kāi)爾文說(shuō)法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它變化”。如果允許“其它變化”發(fā)生，熱可以全部變?yōu)楣?。例如氣缸中理想氣體作等溫膨脹時(shí)，氣體從恒溫?zé)嵩次盏臒崃烤涂梢匀坑脕?lái)對(duì)外做功。但氣體“體積和壓強(qiáng)”發(fā)生了變化，它不能循環(huán)動(dòng)作返回原狀態(tài)。第二章 熱力學(xué)第二定律 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說(shuō)法開(kāi)爾文說(shuō)法或表述為:制造出第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能的。高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩21Q1QA 第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的設(shè)想是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的設(shè)想是從單一熱源

7、吸熱并將其從單一熱源吸熱并將其全部用來(lái)作功，而不放全部用來(lái)作功，而不放出熱量給其它物體的機(jī)出熱量給其它物體的機(jī)器器( =100%) 第二章 熱力學(xué)第二定律 2-4 熱力學(xué)第二定律的二種說(shuō)法 永 動(dòng) 機(jī) 的 設(shè) 想 圖第二章 熱力學(xué)第二定律S的引入的引入例如：用很細(xì)的金屬絲相連不同溫度的兩金屬塊，傳熱很慢，保持兩金屬內(nèi)部都不產(chǎn)生溫度梯度。T1T2時(shí)，金屬塊1傳熱給金屬塊2，金屬塊1所放出的熱量= 金屬塊2所獲得的熱量Q。當(dāng)T1T2時(shí)，這種自發(fā)熱傳導(dǎo)過(guò)程具備如下特征：當(dāng)T1=T2時(shí)，熱平衡，此時(shí)：第二章 熱力學(xué)第二定律從上面的兩種情況可以看出：從上面的兩種情況可以看出：Q/T的商值的商值(熱溫商熱

8、溫商)對(duì)決定過(guò)程對(duì)決定過(guò)程的方向起了很大的作用。的方向起了很大的作用?？赡孢^(guò)程可逆過(guò)程設(shè)這種可逆過(guò)程的熱效應(yīng)為QR克勞修斯定義(熵S):TQSR=對(duì)微小變化，有： TQdSR=S: 熵，是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)熵，是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)熵的變化值熵的變化值= 可逆過(guò)程的熱溫商值可逆過(guò)程的熱溫商值第二章 熱力學(xué)第二定律在導(dǎo)熱情況下，體系(金屬1十金屬2)的S為：這種熱從高溫傳遞到低溫的自發(fā)過(guò)程的特點(diǎn)是：這種熱從高溫傳遞到低溫的自發(fā)過(guò)程的特點(diǎn)是：S0。若若S 0，則熱從低溫傳遞至高溫，這是違背第二定律的，也，則熱從低溫傳遞至高溫，這是違背第二定律的，也是違背事實(shí)的。是違背事實(shí)的。當(dāng)T1=T2時(shí)，熱平衡，此時(shí)：S=0

9、表示熵值增至最大，達(dá)到平衡態(tài)。表示熵值增至最大，達(dá)到平衡態(tài)。第二章 熱力學(xué)第二定律可以用熱溫商Q/T來(lái)判斷過(guò)程的不可逆程度：可逆過(guò)程的Q/T最大不可逆程度越大，其熱溫商越小。對(duì)于相同的狀態(tài)變化：凡是不可逆過(guò)程，其熱溫商必小于該過(guò)程所導(dǎo)致的熵變S。dS = Q/T, 可逆過(guò)程dS Q/T， 不可逆過(guò)程Clausius 不等式第二章 熱力學(xué)第二定律 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)不不可逆過(guò)程可逆過(guò)程0S孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)可逆可逆過(guò)程過(guò)程0S0S熱力學(xué)第二定律(熵增原理熵增原理) ：對(duì)于隔離體系，如果發(fā)生不可逆變化，其熵將增大，直至平衡態(tài)。 S愈接近于零，則過(guò)程越接近于可逆過(guò)程。所以，熱力學(xué)第二定律通過(guò) S可以衡量

10、過(guò)程的不可逆程度。 自發(fā)過(guò)程是不可逆過(guò)程，它的方向使 S0，所以，熱力學(xué)第二定律通過(guò) S可以判斷過(guò)程的方向。Clausius 不等式：第二章 熱力學(xué)第二定律熵增原理熵增原理體系體系A(chǔ)體系體系B第一定律：第一定律：U=-400J第二定律：第二定律：SA=Q/T=-400/400=-1第一定律：第一定律：U=+400J第二定律：第二定律：S=Q/T=400/300=4/3A、B物體非常大，物體非常大，假設(shè)有假設(shè)有400J的熱從溫度的熱從溫度高高的物體的物體A傳遞到溫度傳遞到溫度低低的的BS=SA+SB=-1+4/3=1/3第二章 熱力學(xué)第二定律熵增原理熵增原理體系體系A(chǔ)體系體系B第一定律：第一定律

11、：U=+00J第二定律：第二定律：SA=Q/T=400/400=1第一定律：第一定律：U=-400J第二定律：第二定律：S=Q/T=-400/300=-4/3A、B物體非常大，物體非常大，假設(shè)有假設(shè)有400J的熱從溫度的熱從溫度低低的物體的物體B傳遞到溫度傳遞到溫度高高的的AS=SA+SB=1-4/3=-1/3第二章 熱力學(xué)第二定律* 熵增原理只適用于隔離體系。熵增原理只適用于隔離體系。對(duì)于一個(gè)不與外界隔離的體系，應(yīng)將體系與環(huán)境熱源一并作為整個(gè)隔離體系來(lái)計(jì)算熵值變化，即： S= S體系體系+ S環(huán)境環(huán)境0正向自阻平衡自發(fā)性環(huán)境系統(tǒng)孤立000SSS環(huán)體環(huán)環(huán)環(huán)TQTQS環(huán)環(huán)或TQS:熵增加原理是在宇宙的局部范圍總結(jié)的規(guī)律，而且不考慮引力場(chǎng)的情況，將熵增加原理推廣至充滿(mǎn)引力場(chǎng)的整個(gè)宇宙是不合適的；從實(shí)驗(yàn)和理論證明，宇宙是膨脹的，隨宇宙膨脹，離平衡越來(lái)