同
学
们
好
J.E克劳修斯 (1822-1888)
大学物理
第 2页 共 19页
第五节 热力学第二定律
热力学第一定律,能量转换和守恒定律
凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生。
—— 第一类永动机不可能成功！
是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？
功热转换
热传导
扩散 …..,
能量转换有一定方向和限度
热力学第二定律,描述自然界能量转换的方向和限度。
用否定形式表述
表述方式多样
反证法
统计意义
…..,
特征
大学物理
第 3页 共 19页
一、热力学第二定律的两种典型表述及其等效性
1.开尔文表述 (K)
从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向
和限度,
* 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用
功 而不产生其他影响 。
或,
* 惟一效果是热全部转换为功的过程是不可能实现的。
* 单热源热机是不可能制成的。 T
Q
A 是不可能制造成功的。
第二类永动机 )1( ??
*
大学物理
第 4页 共 19页
注意理解,
? 热力学第一定律和第二定律是互相独立的。
比较, 第一类永动机,第二类永动机,
不耗能，只做功
)(%100 ??? ??
违反热力学第一定律
A
)0( 21 ?? QAQ
%100??
违反热力学第二定律
A
T
1Q
大学物理
第 5页 共 19页
?热力学第二定律 并不意味着热不能完全转变为功
关键词,“无其他影响”
热完全转变为功,而且 系统和外界均复原是不可能的。
0?? V
例, 理想气体等温膨胀
其他影响0?? T
0??E
AQ ?
不违反热力学第二定律 T
大学物理
第 6页 共 19页
?热力学第二定律指出了 热功转换的方向性
功 自发 热 100 % 转换
热 非自发 功 不能 100% 转换
? 热力学第二定律与能源危机
能量做功的能力下降，能量品质下降。
热力学第二定律,
热力学第一定律,
能量转换并守恒，何来 能源危机？
大学物理
第 7页 共 19页
2,克劳修斯表述 (C )
从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和
限度,
* 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。
或,
* 第二类永动机是不可能成功的。
的。的致冷机是不可能成功
?????
A
Q
wQQA 2120
*
Q
A=0
1T
2T
Q
大学物理
第 8页 共 19页
注意理解,
?热力学第二定律指出了 热传导方向性
高温 自动 低温
低温 非自动 高温 （外界做功）
?热力学第二定律 并不意味着热量不能 从低温物体
传到高温物体
关键词,“自动” 即 热量 从低温物体传到高温
物体不能在 不产生其他影响情况下自发进行。
例, 电冰箱
大学物理
第 9页 共 19页
3,两种表述的等效性
正定理,如果 K 成立,C 一定成立
逆定理,如果 C 成立,K 一定成立
否定理,如果 K 不成立,C 一定不成立
逆否定理,如果 C 不成立,K 一定不成立
用反证法证明后两项
自学 P.222 (P.664)
大学物理
第 10页 共 19页
4,热力学第二定律表述的多样性
凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程
都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等
效。
K,C 为 两种标准表述
? 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。
? 历史上最早提出
练习, 判断正误
? 热量不能从低温物体传向高温物体
? 热不能全部转变为功
×
×
大学物理
第 11页 共 19页
二、热力学第二定律的实质
1.可逆过程和不可逆过程
定义, 设系统经历 BA ? 过程
:AB 且外界复原若能使系统 ? 为可逆过程 BA ?
AB ?若无法使系统
时外界不能复原或 AB ?
为不可逆过程 BA ?
例,理想气体等温膨胀的可逆性分析
? 无摩擦，准静态进行
? 有摩擦，准静态进行
? 无摩擦，非静态进行
大学物理
第 12页 共 19页
? 无摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
0ln
1
2
11 ??? V
VRTMQA
?
逆向,
12 VV ?
0ln
2
1
22 ??? V
VRTMQA
?总效果,
021 ?? AA
021 ?? QQ
外界与系统均复原
原过程为可逆过程
m
m
T
T
大学物理
第 13页 共 19页
?有摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
fAAQ ?? 11
（体积功） （摩擦功）
fAV
VRTM ??
1
2ln
? (>0)
(>0)
m
T
f f
0221 ??? fAQQ
逆向,
12 VV ?
fAAQ ??? 12
fAV
VRTM ??
2
1ln
?
(< 0) (>0)
m
T
f f
大学物理
第 14页 共 19页
由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不
产生其他影响，外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,存在摩擦
总效果 系统复原
恒温热源,02
21 ??? fAQQ
转变为外界的内能
? 无摩擦，非静态进行
正向（快提）
1
2
11 lnd
2
1 V
VRTMVPAQ V
V?
??? ?
m
T
大学物理
第 15页 共 19页
总效果,02121 ???? AAQQ
外界做功,
12 AA ?
得热,
12 QQ ?
由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不
产生其它影响，即外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,快速进行，非静态过程。
逆向（快压）
1
2
22 lnd
1
2 V
VRTMVPAQ V
V ?
??? ? m
T
大学物理
第 16页 共 19页
不可逆原因
摩擦（能量耗散）
快速（非静态）
只有无摩擦的准静态过程是可逆过程
可逆过程是对准静态过程的进一步理想化
练习,判断下列说法的正误
? 可逆过程一定是准静态过程
? 准静态过程不一定是可逆过程
? 不可逆过程不一定非静态
? 非静态过程一定不可逆
卡诺循环是理想的可逆循环 不计摩擦、漏气 准静态进行
√
√
√
√
大学物理
第 17页 共 19页
2,热力学第二定律的实质
从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律
功 自发 热 100 % 转换
热 非自发 功 不能 100% 转换
开尔文表述,
热转换不可逆功 ?
克劳修斯表述,热传导不可逆
高温 自动 低温
低温 非自动 高温（外界做功）
(1) 揭示一切自发热力学过程的不可逆性 —— 时间箭头
热力学原因？ 动力学原因？
大学物理
第 18页 共 19页
古人对时间的见解
君不见黄河之水天上来, 奔流到海不复回 。
动力学原因
君不见高堂明镜悲白发, 朝如青丝暮成雪 。
热力学原因 光阴似箭
(2) 指出宏观热力学过程进行的条件和方向
溶解、扩散、生命 …… 一切与热现象有关的宏观实
际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性 。
该定律揭示出各种运动形式存在着质的差异 。
各种运动形式间的转换存在着方向和极限 。
问题 自然过程向什么方向进行？
大学物理
第 19页 共 19页
单向性,什么方向？
? 功,与宏观定向运动相联系，有序运动
热,与分子无规则运动相联系
自
动
非
自
动
? 热传导 高温 低温 T? 差别 无序性 自动
低温 高温 T? 差别 无序性 非自动
单向性,无序性增大的方向
实际自发热力学过程都向无序性增大
的方向进行
从微观角度讨论无序性的意义
?自由膨胀 体积 可能位置 无序性 自动
体积 可能位置 无序性 非自动
真空
学
们
好
J.E克劳修斯 (1822-1888)
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第五节 热力学第二定律
热力学第一定律,能量转换和守恒定律
凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生。
—— 第一类永动机不可能成功！
是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？
功热转换
热传导
扩散 …..,
能量转换有一定方向和限度
热力学第二定律,描述自然界能量转换的方向和限度。
用否定形式表述
表述方式多样
反证法
统计意义
…..,
特征
大学物理
第 3页 共 19页
一、热力学第二定律的两种典型表述及其等效性
1.开尔文表述 (K)
从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向
和限度,
* 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用
功 而不产生其他影响 。
或,
* 惟一效果是热全部转换为功的过程是不可能实现的。
* 单热源热机是不可能制成的。 T
Q
A 是不可能制造成功的。
第二类永动机 )1( ??
*
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注意理解,
? 热力学第一定律和第二定律是互相独立的。
比较, 第一类永动机,第二类永动机,
不耗能，只做功
)(%100 ??? ??
违反热力学第一定律
A
)0( 21 ?? QAQ
%100??
违反热力学第二定律
A
T
1Q
大学物理
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?热力学第二定律 并不意味着热不能完全转变为功
关键词,“无其他影响”
热完全转变为功,而且 系统和外界均复原是不可能的。
0?? V
例, 理想气体等温膨胀
其他影响0?? T
0??E
AQ ?
不违反热力学第二定律 T
大学物理
第 6页 共 19页
?热力学第二定律指出了 热功转换的方向性
功 自发 热 100 % 转换
热 非自发 功 不能 100% 转换
? 热力学第二定律与能源危机
能量做功的能力下降，能量品质下降。
热力学第二定律,
热力学第一定律,
能量转换并守恒，何来 能源危机？
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2,克劳修斯表述 (C )
从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和
限度,
* 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。
或,
* 第二类永动机是不可能成功的。
的。的致冷机是不可能成功
?????
A
Q
wQQA 2120
*
Q
A=0
1T
2T
Q
大学物理
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注意理解,
?热力学第二定律指出了 热传导方向性
高温 自动 低温
低温 非自动 高温 （外界做功）
?热力学第二定律 并不意味着热量不能 从低温物体
传到高温物体
关键词,“自动” 即 热量 从低温物体传到高温
物体不能在 不产生其他影响情况下自发进行。
例, 电冰箱
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3,两种表述的等效性
正定理,如果 K 成立,C 一定成立
逆定理,如果 C 成立,K 一定成立
否定理,如果 K 不成立,C 一定不成立
逆否定理,如果 C 不成立,K 一定不成立
用反证法证明后两项
自学 P.222 (P.664)
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第 10页 共 19页
4,热力学第二定律表述的多样性
凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程
都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等
效。
K,C 为 两种标准表述
? 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。
? 历史上最早提出
练习, 判断正误
? 热量不能从低温物体传向高温物体
? 热不能全部转变为功
×
×
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二、热力学第二定律的实质
1.可逆过程和不可逆过程
定义, 设系统经历 BA ? 过程
:AB 且外界复原若能使系统 ? 为可逆过程 BA ?
AB ?若无法使系统
时外界不能复原或 AB ?
为不可逆过程 BA ?
例,理想气体等温膨胀的可逆性分析
? 无摩擦，准静态进行
? 有摩擦，准静态进行
? 无摩擦，非静态进行
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? 无摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
0ln
1
2
11 ??? V
VRTMQA
?
逆向,
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VRTMQA
?总效果,
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外界与系统均复原
原过程为可逆过程
m
m
T
T
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?有摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
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（体积功） （摩擦功）
fAV
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1
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逆向,
12 VV ?
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2
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(< 0) (>0)
m
T
f f
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由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不
产生其他影响，外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,存在摩擦
总效果 系统复原
恒温热源,02
21 ??? fAQQ
转变为外界的内能
? 无摩擦，非静态进行
正向（快提）
1
2
11 lnd
2
1 V
VRTMVPAQ V
V?
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m
T
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总效果,02121 ???? AAQQ
外界做功,
12 AA ?
得热,
12 QQ ?
由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不
产生其它影响，即外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,快速进行，非静态过程。
逆向（快压）
1
2
22 lnd
1
2 V
VRTMVPAQ V
V ?
??? ? m
T
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不可逆原因
摩擦（能量耗散）
快速（非静态）
只有无摩擦的准静态过程是可逆过程
可逆过程是对准静态过程的进一步理想化
练习,判断下列说法的正误
? 可逆过程一定是准静态过程
? 准静态过程不一定是可逆过程
? 不可逆过程不一定非静态
? 非静态过程一定不可逆
卡诺循环是理想的可逆循环 不计摩擦、漏气 准静态进行
√
√
√
√
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2,热力学第二定律的实质
从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律
功 自发 热 100 % 转换
热 非自发 功 不能 100% 转换
开尔文表述,
热转换不可逆功 ?
克劳修斯表述,热传导不可逆
高温 自动 低温
低温 非自动 高温（外界做功）
(1) 揭示一切自发热力学过程的不可逆性 —— 时间箭头
热力学原因？ 动力学原因？
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古人对时间的见解
君不见黄河之水天上来, 奔流到海不复回 。
动力学原因
君不见高堂明镜悲白发, 朝如青丝暮成雪 。
热力学原因 光阴似箭
(2) 指出宏观热力学过程进行的条件和方向
溶解、扩散、生命 …… 一切与热现象有关的宏观实
际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性 。
该定律揭示出各种运动形式存在着质的差异 。
各种运动形式间的转换存在着方向和极限 。
问题 自然过程向什么方向进行？
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单向性,什么方向？
? 功,与宏观定向运动相联系，有序运动
热,与分子无规则运动相联系
自
动
非
自
动
? 热传导 高温 低温 T? 差别 无序性 自动
低温 高温 T? 差别 无序性 非自动
单向性,无序性增大的方向
实际自发热力学过程都向无序性增大
的方向进行
从微观角度讨论无序性的意义
?自由膨胀 体积 可能位置 无序性 自动
体积 可能位置 无序性 非自动
真空
