自發(fā)過程的性質(zhì)熱力學(xué)第一定律只從能量守恒的角度，確定了能量轉(zhuǎn)換時的數(shù)量關(guān)系。沒有涉及熱力過程進行的方向和深度，沒有涉及能的質(zhì)量，即能的品位的問題。

優(yōu)點：

缺點：

熱力學(xué)第二定律有自發(fā)過程引出，然后探討熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)、表述及數(shù)學(xué)表達式。熱力學(xué)第二定律

一切熱力過程除要遵循能量數(shù)量守恒外，還要遵循過程進行的方向、條件和限度的客觀規(guī)律。特點自發(fā)過程的方向性01自發(fā)過程的性質(zhì)02目

錄Content自發(fā)過程的方向性01熱力學(xué)第一定律確定了各種能量傳遞和轉(zhuǎn)換時不會引起總能量的改變。創(chuàng)造能量（第一類永動機）不可能，消滅能量也辦不到。能量不生不滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一物體轉(zhuǎn)移到另一物體,自然界中一切過程都必須遵守熱力學(xué)第一定律。

大量的事實告訴我們，這是不一定的。我們以自發(fā)過程來分析，所謂自發(fā)過程是指不需要外界幫助能自動發(fā)生的過程。

然而，是否任何不違反熱力學(xué)第一定律的過程都是可以實現(xiàn)的呢？熱量傳遞的方向性熱可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，低溫物體得到的熱量等于高溫物體失去的熱量，這完全遵守熱力學(xué)第一定律。QQw制冷機低溫物體把從高溫物體得到的熱量傳回給高溫物體，這樣的過程也并不違反熱力學(xué)第一定律。要使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，就要消耗功（功變熱）才能實現(xiàn)。q1wq2T1T2vp12abcd-|w|逆向循環(huán)要使q2的熱量由低溫熱源傳向高溫熱源，要有壓縮機消耗機械能w，使w變?yōu)闊崮芎蛁2一起傳向高溫熱源。故q1=q2+w。機械能和熱能轉(zhuǎn)換的方向性只要存在摩擦，機械能可以自發(fā)地全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軣崮茏儥C械能，也不能自動進行，要讓熱能轉(zhuǎn)化為機械能，必需以部分熱量從高溫傳遞到低溫為條件。熱力發(fā)電廠就是這個非自發(fā)過程的實例機械能和熱能轉(zhuǎn)換的方向性q1wq2T1T2vp12abcd-|w|正向循環(huán)工質(zhì)從高溫熱源吸收了q1的熱量要使其轉(zhuǎn)換為機械能，實施過程中只有w部分的熱能在熱機中轉(zhuǎn)換為機械能，伴隨著轉(zhuǎn)換q1中的q2部分的熱能則由高溫熱源傳向低溫熱源。氣體膨脹與壓縮的方向性氣體可以自發(fā)地膨脹，由高壓到低壓壓縮機W由低壓到高壓的壓縮氣體必需以耗功（功變熱）為條件。真空轉(zhuǎn)動的飛輪可以自發(fā)地靜止下來，飛輪具有的動能由于飛輪軸和軸承之間的摩擦以及飛輪表面和空氣的摩擦，變成熱能耗散到大氣中，飛輪失去的動能等于周圍空氣獲得的能量，這完全遵守熱力學(xué)第一定律。轉(zhuǎn)動的飛輪自發(fā)過程的案例

經(jīng)驗告訴我們這也是不可能的，盡管這樣的過程并不違反熱力學(xué)第一定律。

反過來，周圍空氣是否可以自發(fā)地將原先獲得的熱能變成動能，還給飛輪使飛輪重新轉(zhuǎn)動起來呢？裝有高壓氧氣的氧氣瓶只會向壓力較低的大氣中漏氣，而大氣中的氧氣卻不會自動向高壓氧氣瓶中充氣。高壓氧氣的氧氣瓶自發(fā)過程的案例氣體總是自發(fā)的膨脹等等。熱能總是自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體；機械能總是自發(fā)的轉(zhuǎn)變成熱能；過程總是自發(fā)的朝著一定的方向進行：這些過程的共同特點：正向過程（稱為自發(fā)過程）很易于自發(fā)地進行,但是反向過程（稱為非自發(fā)過程）卻永遠不可能自發(fā)地恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里并不是說這些非自發(fā)過程根本無法實現(xiàn)，而只是說，如果沒有外界付出代價，它們是不能進行的。例如，在熱機中可以使一部分高溫熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，但是這個非自發(fā)過程的實現(xiàn)是以另一部分高溫熱能轉(zhuǎn)移到低溫物體作為代價的。在壓氣機中氣體被壓縮，這一非自發(fā)過程的進行是以消耗一定的機械能（這部分機械能變成了熱能）作為代價的。一個非自發(fā)過程的進行，必須有另一個自發(fā)過程來推動，或者說必須以另外的自發(fā)過程的進行作為代價、作為補償條件。自發(fā)過程的性質(zhì)02自發(fā)過程都只能向著與熱力系外界趨于平衡的方向進行。非自發(fā)過程的進行都必須以補償過程的發(fā)生為條件。自發(fā)過程的性質(zhì)自發(fā)過程均具有方向性01熱力系統(tǒng)經(jīng)過一個自發(fā)過程后，若要使其反向進行回復(fù)到初始狀態(tài)，則必須提供補償條件，這樣在外界必將留下不可逆復(fù)的變化。自發(fā)過程均是不可逆過程02自發(fā)過程的性質(zhì)各種不可逆因素不是彼此獨立無關(guān)的，而都是相互關(guān)聯(lián)的。非自發(fā)過程的發(fā)生總是以另一個自發(fā)過程為補償。各種不可逆過程具有等效性03自發(fā)過程的性質(zhì)因此一切不可逆過程都可以相互代替，這正說明了一切不可逆過程在本質(zhì)上是一樣的，等效的。熱力學(xué)分析中涉及的不可逆過程按照不可逆因素分為兩種類型:引起不可逆過程的因素分析04自發(fā)過程的性質(zhì)另一種是過程中存在耗散損失。當熱力過程既無非平衡損失又無耗散損失則就是可逆過程。一種是過程中存在不平衡勢差而引起的非平衡損。課堂思考盡管非自發(fā)過程也與自發(fā)過程一樣，并不違背熱力學(xué)第一定律，那么為什么卻不能自發(fā)地進行呢？這是因為它們除服從熱力學(xué)第一定律外,還要服從另一條定律,這就是熱力學(xué)第二定律。研究熱力過程進行的方向條件和限度就是熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律被廣泛地運用到各個學(xué)科領(lǐng)域,它的表述種類繁多。這些不同的說法雖然千差萬別，但它們所表述的實質(zhì)是共同的、一致的。熱量傳遞熱力學(xué)是研究熱能與機械能轉(zhuǎn)換，這兩種說法是從：熱功轉(zhuǎn)換闡述熱力學(xué)第二定律克勞修斯說法01開爾文說法02目

錄Content克勞修斯說法01克勞修斯說法

RudolfJ.E.Clausius偉大的科學(xué)家1867年克勞修斯(RudolfJ.E.Clausius)發(fā)表《論熱力學(xué)的第二基本定律》。提出了狀態(tài)參數(shù)熵，熵增原理。

熱不可能自發(fā)地、不付任何代價地由低溫物體傳向高溫物體。RudolfJ.E.Clausius

克勞修斯說法是指明熱量由高溫物體傳向低溫物體是不可逆的，即利用自發(fā)過程的逆過程來說明自發(fā)過程的不可逆性。克勞修斯說法

熱不可能自發(fā)地、不付任何代價地由低溫物體傳向高溫物體。開爾文說法02開爾文說法

Kelvins開爾文說法指明功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬倪^程是不可逆的，利用自發(fā)過程的逆過程來說明自發(fā)過程的不可逆性。又稱為開爾文—普朗克說法：不可能制造出只從一個熱源吸熱而使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难h(huán)發(fā)動機。開爾文說法Kelvins不要將開爾文說法簡單地理解為“功可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔鵁岵荒苋哭D(zhuǎn)變?yōu)楣Α薄２⒉皇菬岵荒苋哭D(zhuǎn)變?yōu)楣Γ窃诓涣粝缕渌魏巫兓臈l件下，熱不能全部轉(zhuǎn)變成功。特別強調(diào)

又稱為開爾文—普朗克說法：不可能制造出只從一個熱源吸熱而使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难h(huán)發(fā)動機。如理想氣體在定溫過程中，它從熱源吸取的熱量可以全部轉(zhuǎn)變成功，但理想氣體的狀態(tài)發(fā)生了變化，這就是留下了其它變化。另一方面，通過理想氣體的定溫過程，雖然可以將熱全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ珔s不能將熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣ΑＲ驗槿魏我粋€熱力膨脹過程都不能一直繼續(xù)下去。定溫膨脹時，工質(zhì)的壓力將會降到不能做功的限度；定壓膨脹時，工質(zhì)的比體積和溫度將會增大到熱力設(shè)備所不能允許的程度。當工質(zhì)膨脹作功到一定程度時，工質(zhì)還必須經(jīng)歷壓縮等其它過程回復(fù)到原來的初始狀態(tài)，這樣才能保證實現(xiàn)熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ@也就要求工質(zhì)必須進行循環(huán)。機械能和熱能轉(zhuǎn)換的方向性從單一熱源吸熱而連續(xù)做功的熱機其所作功等于所吸收的熱量，能量仍是守恒的違反了熱力學(xué)第二定律不違反熱力學(xué)第一定律

如果第二類永動機能夠?qū)崿F(xiàn)，則可將從大氣或海洋中豐富的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ@然這是不可能的。假設(shè)熱力學(xué)第二定律也可表述為“第二類永動機是不可能制成的”。人們把這種單一熱源的發(fā)動機稱為“第二類永動機”。第一類永動機是不需要提供能量就能連續(xù)不斷轉(zhuǎn)動的機器，顯然違反了熱力學(xué)第一定律。思考一下：第一類永動機和第二類永動機的本質(zhì)區(qū)別？第二類永動機是從單一熱源吸熱而連續(xù)做功的熱機，不違反熱力學(xué)第一定律，但違反了熱力學(xué)第二定律。課堂思考思考一下:在熱力發(fā)電廠中，工質(zhì)在高溫熱源吸收的大部分熱量在冷凝器中散失了，我們能否取消冷凝器提高轉(zhuǎn)換效率？雖然冷凝器散失了大量的熱量也不能取消冷凝器。因為冷凝器為蒸汽動力循環(huán)的低溫熱源，若取消冷凝器該蒸汽動力循環(huán)只存在高溫熱源，成了單一熱源熱機的循環(huán)，違背了熱力學(xué)第二定律，熱功轉(zhuǎn)換過程就不能進行。為什么？課堂思考熵增原理熵增原理熱力學(xué)第二定律的文字表述方式雖多,但最終都統(tǒng)一在其數(shù)學(xué)表達式上這個數(shù)學(xué)表達式是克勞修斯首先推導(dǎo)出來的，這就是著名的熵增原理熵增原理的內(nèi)容01熵增原理的應(yīng)用02目

錄Content熵增原理的內(nèi)容01熵增原理的內(nèi)容RudolfJ.E.Clausius熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式:=可逆過程的情況>不可逆過程的情況

Sis≥0

孤立系統(tǒng)的熵增數(shù)學(xué)表達式可表述為：孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何過程,系統(tǒng)內(nèi)各物質(zhì)熵的總和可以增大,或保持不變,但絕不能減小。熵增原理的內(nèi)容RudolfJ.E.Clausius熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式:

Sis≥0稱作熵增原理分析為了更好地理解上式，這里強調(diào)三點：1)必須是孤立系統(tǒng)。就是需要把所有相關(guān)物質(zhì)和設(shè)備都化為熱力系統(tǒng)，這樣一切的變化和能量交換都在系統(tǒng)內(nèi)。2)Sis應(yīng)該是組成孤立系統(tǒng)的各組分的熵的總和。它常常是工質(zhì)的熵變、熱源的熵變及冷源的熵變的總和。3)過程可以是可逆的，也可以是不可逆的。可逆過程總熵的變化量為零,而不可逆過程的熵的變化量大于零。開爾文說法根據(jù)孤立系統(tǒng)熵增原理可知，孤立系統(tǒng)的狀態(tài)變化只能朝著熵增的方向進行，當其熵達到最大值時過程才停止。凡是使孤立系熵減少的過程都是不可能發(fā)生的。在理想的可逆情況下，也只能實現(xiàn)使孤立系統(tǒng)的熵保持不變。由于實際的自發(fā)過程都是由不平衡狀態(tài)趨向于平衡狀態(tài)，達到平衡狀態(tài)便不再變化。這意味著自發(fā)過程總是朝著熵增大的方向進行，只有當孤立系的熵達到最大值時，即系統(tǒng)相應(yīng)地達到平衡狀態(tài)時，過程就不再進行了。自發(fā)過程的逆過程熵必然減小，在實現(xiàn)逆過程時就必須同時進行熵增大的補償過程，并且使補償過程熵的增大等于或多于在數(shù)量上前者引起的熵減，從而使孤立系統(tǒng)的總熵保持不變或增加。因為它使系統(tǒng)的熵減少，因而必須以消耗功使其轉(zhuǎn)化為熱能的熵增過程作為補償。高溫熱源不可能單獨進行的傳遞如熱量自低溫熱源熵增原理的應(yīng)用02熵增原理的應(yīng)用熵增原理，可以判斷某些復(fù)雜的熱力過程能否實現(xiàn)，以及作為系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)：表明孤立系統(tǒng)內(nèi)部進行的過程是可逆過程。使孤立系統(tǒng)的熵減小的過程是不可能發(fā)生的。表明孤立系統(tǒng)內(nèi)部進行的過程是不可逆過程。

Sis＝0Sis＞0Sis＜0用孤立系統(tǒng)熵增原理證明熱力學(xué)第二定律的兩種說法的一致性。先來證明第一種說法01令兩個物體構(gòu)成一個孤立系統(tǒng)有一個很大的高溫物體,其溫度為T1另一低溫物體其溫度為T2T1T2Q孤立系統(tǒng)的熵變高溫熱源的熵變低溫熱源的熵變00假定有熱量Q(Q>0)從低溫物體自發(fā)地傳到高溫物體

即熱不可能自發(fā)地、不付任何代價地由低溫物體傳向高溫物體。證明了第一種說法的正確性

這一結(jié)果是違反熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達式的，因此證明此假定是錯誤的，是不能實現(xiàn)的。用孤立系統(tǒng)熵增原理證明熱力學(xué)第二定律的兩種說法的一致性。用反證法來證明第二種說法02假設(shè)熱源T1和工質(zhì)構(gòu)成一個孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)的熵變熱源的熵變?yōu)楣べ|(zhì)的熵變00熱機每完成一個循環(huán)就能從熱源吸熱Q，并把它全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ涣粝氯魏斡谰眯愿淖僸1wT1

但是，孤立系統(tǒng)的熵不可能減少。因此證明該假設(shè)是錯誤的，由此證明了第二種說法地正確性，即不可能制造出只從一個熱源吸熱而使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难h(huán)發(fā)動機。熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第一定律一樣，是建立在長期積累的無數(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上結(jié)論目前而言，任何想反駁熱力學(xué)第二定律或其推論的意圖，都不能找到事實依據(jù)而失敗。卡諾循環(huán)熱力學(xué)第二定律任何熱機都不能將吸取的熱量循環(huán)不息的全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣ΑＴ谝欢ǖ臒嵩礂l件下，循環(huán)中吸取的熱量最多能有多少轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ瑹嵝士赡苓_到的極限究竟有多大？由卡諾循環(huán)和卡諾定理來說明卡諾循環(huán)的組成01卡諾循環(huán)熱效率02目

錄Content卡諾循環(huán)的組成01卡諾循環(huán)的組成卡諾循環(huán)是由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成，以理想氣體為工質(zhì)的卡諾熱機循環(huán)。Tspv

a-b可逆定溫吸熱過程工質(zhì)在溫度T1下從相同溫度的高溫熱源吸取熱量q1；工質(zhì)在溫度T2下向相同溫度的低溫熱源放出熱量q2；

c-d可逆定溫放熱過程工質(zhì)溫度從T1降低至T2；

b-c可逆絕熱膨脹過程工質(zhì)溫度從T2升高至T1。d-a可逆絕熱壓縮過程p-v圖T-s圖卡諾循環(huán)的熱效率02卡諾循環(huán)熱效率熱機的經(jīng)濟性常以“循環(huán)熱效率”來衡量。它從數(shù)量上反映了能量轉(zhuǎn)換的完善程度。任何熱機的循環(huán)熱效率ht表示為在定溫放熱過程c-d中，工質(zhì)的放熱量為在定溫吸熱過程a-b中，工質(zhì)的吸熱量為卡諾循環(huán)熱效率卡諾循環(huán)熱效率公式將上述式子代入熱效率公式可得卡諾循環(huán)熱效率為卡諾循環(huán)熱效率T1-------高溫熱源的溫度，KT2-------低溫熱源的溫度，K用代替表示即這兩個溫度只能使用熱力學(xué)溫標，若已知攝氏溫標，要轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)溫標后帶入進行計算。分析得結(jié)論卡諾循環(huán)的熱效率只決定于高溫熱源和低溫熱源的溫度，即工質(zhì)吸熱和放熱的溫度。因此要提高其循環(huán)效率，根本的途徑是提高高溫熱源的溫度或降低低溫熱源的溫度。因T1→￥

或T2＝0都是不可能的，所以卡諾循環(huán)的熱效率只能小于1。也就是說，在循環(huán)發(fā)動機中不可能將熱能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。當T1＝T2時，循環(huán)的熱效率為零。這就是說，在溫度平衡的體系中，熱能不可能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，或者說單一熱源的熱機是不存在的。要利用熱能來產(chǎn)生動力，就一定要有溫度差。卡諾循環(huán)是理論上最為完善的熱機循環(huán)，在相同溫度的高溫熱源與相同的低溫熱源之間，卡諾循環(huán)具有最高的循環(huán)熱效率，但實際上卡諾循環(huán)是不能實施的。工質(zhì)作可逆變化，勢必恒與外界保持熱和力的平衡，使其過程無限遲緩；沒有完全絕熱和完全傳熱的物質(zhì)，而使工質(zhì)能夠絕熱變化和在定溫條件下交換熱量。首先此外卡諾循環(huán)為一理想循環(huán)，屬于極限情況。但它是研究熱機性能不可缺少的準繩，指明了提高循環(huán)熱效率的基本方向。在熱力學(xué)中具有極為重要的意義。熱力過程中熵變化量分析前面介紹中我們就給出了

熵的定義熵是熱力學(xué)第二定律中的一個非常重要的概念，就像熱力學(xué)能和焓是熱力學(xué)第一定律的重要概念一樣。不可逆過程熵的變化01熵流與熵產(chǎn)02目

錄Content不可逆過程熵的變化01在溫度為T的環(huán)境中不可逆過程熵的變化wqdu不可逆膨脹過程w’q’du可逆膨脹過程不可逆過程從環(huán)境吸熱dq，做功dw可逆過程從環(huán)境吸熱dq'，做功dw'兩過程的起點、終點相同，因此兩個過程的ds和du都相等。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有不可逆過程可逆過程對于可逆過程Tds=dq+dw'-dwdu=Tds-dw’

帶入不可逆過程的關(guān)系式可得移項得移項得不可逆過程熵的變化wqdu不可逆膨脹過程w’q’du可逆膨脹過程轉(zhuǎn)化后得式中（dw'-dw）為不可逆過程中由于不可逆因素引起的功的耗散。若用dwＬ表示，則為不可逆過程熵的變化wqdu不可逆膨脹過程w’q’du可逆膨脹過程上式說明，在不可逆的熱力過程中，引起熵變化的原因有兩個:一個是由于系統(tǒng)與外界交換熱量所引起熵的變化另一方面是由于系統(tǒng)內(nèi)的不可逆因素導(dǎo)致功的耗散dwl所引起的熵的增加不可逆過程熵的變化wqdu不可逆膨脹過程w’q’du可逆膨脹過程熵流與熵產(chǎn)02熵流與熵產(chǎn)熵流系統(tǒng)由于與外界進行熱量交換而引起的熵的變化量稱為熵流，根據(jù)熵流定義可知，熵流的符號與熱量符號相同系統(tǒng)吸收熱量，熵流為正系統(tǒng)放出熱量，熵流為負系統(tǒng)與外界之間的熱傳遞必然伴隨有熵流的變化。注意以dsf表示，即熵流與熵產(chǎn)熵產(chǎn)系統(tǒng)在熱力過程中的由于系統(tǒng)內(nèi)部不可逆性損耗而引起的熵的變化量稱為熵產(chǎn)。以dsg表示，即對于不可逆過程，由于存在能量的耗散，故熵產(chǎn)值總是正值。一切自發(fā)進行的過程，熵產(chǎn)值恒