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热力学第二定律:揭示自然界自发过程的方向性与不可逆性

更新时间:2024-06-10 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

首先,热力学第二定律的表述(表述)虽然有多种,但都反映了客观事物的一个共同本质,即自然界中一切自发过程都具有“方向性”,一切自发过程都是不可逆的。roQ物理好资源网(原物理ok网)

其次,热力学过程的方向性可以用“熵”来衡量,即孤立系统内一切实际过程的总熵增加,而在理想条件下(即可逆),总熵保持不变。roQ物理好资源网(原物理ok网)

让我们用两个最常见的热力学表述来理解它。roQ物理好资源网(原物理ok网)

1.克劳修斯表述(1850年):热量不能自发地、无代价地从低温物体传递到高温物体。roQ物理好资源网(原物理ok网)

解释:roQ物理好资源网(原物理ok网)

(1)这里需要强调的是“自发的,没有代价的”。我们可以通过热泵装置实现“热量从低温物体转移到高温物体”,但这是有代价的,即以消耗功来驱动热泵为代价。它是“人为的”、“强迫的”,不是“自发的”。因此,非自发的过程,比如热量从低温物体转移到高温物体,也必须有一个自发过程(这里指机械能转化为热能)来补偿。这个过程就叫“补偿过程”。roQ物理好资源网(原物理ok网)

(2)非自发过程(如从低温物体向高温物体传热)能否进行,取决于所投入的“成本”是否足够,即总系统(孤立系统)的熵必须增加,或者在可逆条件下总熵不变。换言之,投入的“成本”不够,非自发过程就不能进行,或者不能进行彻底(达不到预期状态)。非自发过程只有孤立系统的总熵变不小于零时才能进行。roQ物理好资源网(原物理ok网)

2.开尔文—普朗特表述(1851年):不可能制造一个热发生器,它只吸收单一热源的热量,并将其全部转化为功英语作文,而不留下任何其他变化。roQ物理好资源网(原物理ok网)

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(1)这里强调的是“不留其他变化”,也就是说,热机内部、外界环境以及所有其他物体都没有发生改变。roQ物理好资源网(原物理ok网)

开尔文-普朗特理论解释说热力学第二定律,热量要转化成功,必须把一部分热量转移给低温物体(注意,这是一个自发的过程,热量从高温向低温转移),也就是说,必须有一个“补偿过程”作为代价。roQ物理好资源网(原物理ok网)

(2)有可能把热量全部转化为功,但必须“留下其他变化”。例如热力学第二定律,在等温过程中,热量可以全部转化为功,但此时热机内部工作流体的“状态”已经发生了变化(即工作流体不能回到初始状态,事实上,这样的热机实际上并不存在),而留下变化。roQ物理好资源网(原物理ok网)

总之,要正确理解热力学第二定律,需要掌握以下几点:roQ物理好资源网(原物理ok网)

1. 上述热力学第二定律的两个表述及其等价性;roQ物理好资源网(原物理ok网)

2.卡诺循环与卡诺定理、卡诺效率、ηT≤ηC;roQ物理好资源网(原物理ok网)

3. 克劳修斯积分方程和不等式;roQ物理好资源网(原物理ok网)

4.熵过程方程:dS≥dQ/Tr;roQ物理好资源网(原物理ok网)

5、孤立系统熵增加原理:△Siso=∑△Si=Sg≥0;roQ物理好资源网(原物理ok网)

6.封闭系统(控制质量)熵方程:dS=dSg+dQ/Tr;(开放系统也要掌握)roQ物理好资源网(原物理ok网)

7、能量折旧原则:dEx,iso≤0;roQ物理好资源网(原物理ok网)

8.熵产生与机械能(火用)损失关系:I=To×Sg。roQ物理好资源网(原物理ok网)

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