第!)章!热力学第二定律
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一重点难点
本章重点是热力学第二定律的两种表述和有关熵的理论熵的概念特点熵增原理! 本章难点在于理解热力学第二定律两种表述的等价性计算任意热力学过程的熵增理解
任意热力学过程熵增"I
本章大部分习题是关于热力学第二定律的进一步理解和熵变的计算以及判断过程是否可 逆!在利用热力学第二定律证明问题时通常会用反证法!熵变的计算要充分利用熵是状态函 数这一特征!若过程不可逆只要先确定始末状态然后设计由始态到末态的一系列可逆过程 再根据相关公式计算熵变即可!
三典型例题
例!!有人想象了四个理想气体的循环过程则在理论上可以实现的为!!
$!不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程!
@!热量可以从高温物体传到低温物体%但不能从低温物体传到高温物体!
A!任何过程总是沿着熵增加的方向进行!
解!选项$$不可逆过程应是指在不引起其他变化的条件下%不能使逆过程重复正过程的
每一状态%或者虽然重复但必然会引起其他变化的过程!选项@$应是热量不可能从低温物体
自发传到高温物体而不引起外界任何其它的变化!选项A$缺少了在孤立系统中这一Biblioteka 提条件!只有选项? 正确!
";''U!)%)放(热!;一''热U机%做在功高"温''热'U源%此A循")环*'可'能J实与现低吗温)热"源!A!##)%''J 之间工作%一循环过程吸热
?!可能
$!不可能
@!无法判断
解该循环过程的效率 而由卡诺定理 !
四习题选解
一思考题
!))!!两条绝热线和一条等温线能否构成一个循环) 答!不能!因为两条绝热线不可能相交%或一条等温线不可能与一条绝热线相交两次!也 可以用反证法证明!假设三条线构成一个如图所示的循环%则该循环可以从单一热源"A#吸收 热源%使之完全变成有用的功而不产生其它影响%这就违背了热力学第二定律的开尔文表述% 所以这样三条线不可能构成一个循环!
1)5,吸)""';''''0"/AA#" %
,
5吸
IM@6>./&+ "/
A# A"
%得知此过程不能实现%故本题答案为$! !)))!某校中学生参加电视台.异想天开/节目栏的活动%他们提出了下列四个设想方案%
哪些从理论上讲是可行的"!!#
?!制作一个装置只从海水中吸收内能全部用来做功!
$!发明一种制冷设备%使温度降至绝对零度以下!
( %** (
大学物理学习指导
反了热力学第二定律的开尔文表述!因此只有K 正确! 例$!">18P#在初始时温度为%''J%体积为">%%向真空膨胀至体积为"'>%%求此过程
体系的熵变!若使该P#在%''J 恒温情况下从">% 可逆膨胀至"'>% 其熵变是多少) 由此得 到怎样的结论)
解!真空膨胀为不可逆过程%要计算熵变%必须先设计可逆过程%即等温可逆膨胀过程% 对于等温可逆膨胀"%I不)0需9设8.计"?可#*逆?"过#)程"%+直;接!%计"*算+%8由."于')熵"是=!系"*统U*的J状态函数%两步的始态 和终态相同%所以等温可逆膨胀的熵变也等于"=!"*U*J! 结论$只要体系的始态和终态相同%不管是可逆过程还是不可逆过程%体系熵变都相同!
图!)#!
解! 由绝热过程方程*?2) 常量以及等温过程方程*?) 常量可知绝热线比等温线要 陡所以, 不对!&4 中都有两条绝热线相交于一点这是不可能的而且& 是由一个等温膨 胀过程和两个绝热过程组成根据热力学第一定律等温膨胀过程中理想气体从外界吸热这 表明循环& 中系统从单一热源吸收热量全部用来对外做功且不引起外界任何其它变化违
第"<章!热力学第二定律
( %*" (
一个正的卡诺循环后%不但系统本身没有任何变化%而且外界也没有任何变化!/甲和乙谁的说 法正确) 为什么)
答!甲对%乙不对!系统经历一个正卡诺循环%系统回到初始状态%并从高温热源吸热%向 低温热源放热%对外作功%所以系统本身没变%但外界发生了变化!
二选择题
!?!))!!'自!!然!根界!据中!热的!力一!学切!第自二发!定过!律程!"都!!是!!不#!可!逆!的!!!!!!!!!!!
热学现象都是具有方向性%要实现其逆过程%必须付出能量代价%故@项错!答案为A!
!))*!一定量的理想气体向真空作绝热自由膨胀%体积由? 增加至#?%在此过程中气体
的$"!!#
?!内能不变%熵减少
$!内能不变%熵增加
@!内能不变%熵不变
A!内能增加%熵增加
解!绝热自由膨胀过程中%5)'%Q )'%所以内能保持不变!绝热自由膨胀过程是自发进
与积分%##5 "A
之间的关系!
二学习方法
本章涉及到的理论知识比较多内容抽象学习时可以从宏观和微观两个角度去进行理 解同时学习中一定要抓住问题的实质!热力学第二定律的两种表述的实质都是揭示一切实际 热力学过程进行的方向以及条件!熵的实质是系统内分子热运动无序性的一种量度它用来判 别实际热力学过程的方向对过程不可逆程度和热力学第二定律起着量化的作用!
@!汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气%想办法使它们自发地分离%既
清洁了空气%又变废为宝!
A!将房屋顶盖太阳能板%可直接用太阳能解决照明和热水问题!
解!不可能从单一热源吸收热量全部用来做功%? 项错!绝对零度不可能达到%$项错!汽
车尾气中的不同成分已经混合%不可能自发地分离%因为这违背了热力学第二定律!一切宏观
图!)#$
!))$!既然电冰箱能制冷%那么在夏天使房间的门窗紧闭%把电冰箱的门打开%房间的温 度就会降低%你认为这有可能吗)
答!不能依 ! N)5"5/#5#%因为电冰箱的门打开后%室内的热量进入冰箱%使5# 需 95"% N 92的制冷机才行!
!))%!从理论上讲%提高卡诺热机的效率有哪些途径) 在实际中采用什么办法) 答!由卡诺热机的效率公式%从理论上讲%提高热机效率可以采用$""#提高高温热源温 度&"##降低低温热源温度&"%#二者并举! 在实际中%除减少损耗提高热机效率外%常用提高高温热源温度%而低温热源一般采用大 气! !))&!甲说$.系统经过一个正的卡诺循环后%系统本身没有任何变化!/乙说$.系统经过