不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化课件.ppt
2023/3/31,物理化学电子教案第二章,2023/3/31,第二章 热力学第二定律,2.1 自发变化的共同特征,2.2 热力学第二定律,2.3 卡诺循环与卡诺定理,2.4 熵的概念,2.5 克劳修斯不等式与熵增加原理,2.6 熵变的计算,2.7 热力学第二定律的本质和熵的统计意义,2.8 亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能,2023/3/31,第二章 热力学第二定律,2.9 变化的方向和平衡条件,2.10 G的计算示例,2.11 热力学第三定律与规定熵,2023/3/31,热力学第一定律的局限性,2023/3/31,2.1自发变化的共同特征,自发变化 某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。,自发变化的共同特征不可逆性 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。例如：,(1)焦耳热功当量中功自动转变成热；,(2)气体向真空膨胀；,(3)热量从高温物体传入低温物体；,(4)浓度不等的溶液混合均匀；,(5)锌片与硫酸铜的置换反应等，,它们的逆过程都不能自动进行。当借助外力，体系恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响。,2023/3/31,2.2 热力学第二定律（The Second Law of Thermodynamics）,克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”,开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。”后来被奥斯特瓦德(Ostward)表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。,第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。,2023/3/31,23卡诺循环与卡诺定理,卡诺循环,热机效率,卡诺定理,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,1824 年，法国工程师N.L.S.Carnot(17961832)设计了一个循环，以理想气体为工作物质，从高温 热源吸收 的热量，一部分通过理想热机用来对外做功W，另一部分 的热量放给低温 热源。这种循环称为卡诺循环。,N.L.S.Carnot,2023/3/31,热机效率(efficiency of the engine),任何热机从高温 热源吸热,一部分转化为功W,另一部分 传给低温 热源.将热机所作的功与所吸的热之比值称为热机效率,或称为热机转换系数，用 表示。恒小于1。,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,1mol 理想气体的卡诺循环在pV图上可以分为四步：,过程1：等温 可逆膨胀由 到,所作功如AB曲线下的面积所示。,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,过程2：绝热可逆膨胀由 到,所作功如BC曲线下的面积所示。,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,过程3：等温(TC)可逆压缩由 到,环境对体系所作功如DC曲线下的面积所示,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,过程4：绝热可逆压缩由 到,环境对体系所作的功如DA曲线下的面积所示。,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,整个循环：,是体系所吸的热，为正值，,是体系放出的热，为负值。,即ABCD曲线所围面积为热机所作的功。,2023/3/31,卡诺循环（Carnot cycle）,2023/3/31,热机效率(efficiency of the engine),任何热机从高温 热源吸热,一部分转化为功W,另一部分 传给低温 热源.将热机所作的功与所吸的热之比值称为热机效率,或称为热机转换系数，用 表示。恒小于1。,或,2023/3/31,卡诺定理,卡诺定理：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆热机，即可逆热机的效率最大。,卡诺定理的意义：（1）引入了一个不等号，原则上解决了化学反应的方向问题；（2）解决了热机效率的极限值问题。,2023/3/31,2.4 熵的概念,从卡诺循环得到的结论,任意可逆循环的热温商,熵的引出,熵的定义,2023/3/31,从卡诺循环得到的结论,或：,即卡诺循环中，热效应与温度商值的加和等于零。,2023/3/31,从卡诺循环得到的结论,即卡诺循环中，热温值的加和等于零。不可逆循环的热温商之和小于零。由此构成了过程的可逆性与过程热温商之间的关系,2023/3/31,任意可逆循环的热温商,证明如下：,任意可逆循环热温商的加和等于零,即：,同理，对MN过程作相同处理，使XY折线所经过程作的功与MN过程相同。VWYX就构成了一个卡诺循环，其热温熵之和为零。,或,(2)通过P，Q点分别作RS和TU两条可逆绝热膨胀线，,(3)在P，Q之间通过O点作等温可逆膨胀线VW，使两个三角形PVO和OWQ的面积相等，,这样使PQ过程与VW过程所作的功相同。,2023/3/31,任意可逆循环的热温商,用相同的方法把任意可逆循环分成许多首尾连接的小卡诺循环，前一个循环的绝热可逆膨胀线就是下一个循环的绝热可逆压缩线，如图所示的虚线部分，这样两个过程的功恰好抵消。,从而使众多小卡诺循环的总效应与任意可逆循环的封闭曲线相当，所以任意可逆循环的热温商的加和等于零，或它的环程积分等于零。,2023/3/31,熵的引出,用一闭合曲线代表任意可逆循环。,可分成两项的加和,在曲线上任意取A，B两点，把循环分成AB和BA两个可逆过程。,根据任意可逆循环热温商的公式：,2023/3/31,熵的引出,等式表明，体系由A变到B，沿不同途径的热温商积分值相等，与途径无关。说明任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关，因此热温商具有状态函数的性质。,移项得：,任意可逆过程,2023/3/31,熵的定义,Clausius根据可逆过程的热温商值决定于始终态而与过程无关这一事实定义了“熵”（entropy）这个函数，用符号“S”表示，单位为：,对微小变化,这几个熵变的计算式习惯上称为熵的定义式，即熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量。,设可逆过程始、终态A，B的熵分别为SA和SB，则：,2023/3/31,不可逆过程的热温商与熵变,或,设有一个循环，为不可逆过程，为可逆过程，整个循环为不可逆循环。,则有,上式表明，体系经不可逆过程由A到B，过程的热温商之和小于过程的熵变。,2023/3/31,Clausius 不等式,上式即为Clausius 不等式，也是热力学第二定律的数学表达式。若是不可逆过程，用“”号，可逆过程用“=”号。,2023/3/31,熵增加原理,如果是一个孤立体系，环境与体系间既无热的交换，又无功的交换，则熵增加原理可表述为：一个孤立体系的熵永不减少。,或者,2023/3/31,熵增加原理,有时把与体系密切相关的环境也包括在一起，用来判断过程的自发性，即：,“”号为自发过程“=”号为可逆过程,2023/3/31,环境的熵变,(1)任何可逆变化时环境的熵变,(2)体系的热效应可能是不可逆的，但由于环境很大，对环境可看作是可逆热效应,2023/3/31,2.6 熵变的计算,理想气体简单状态变化过程的熵变,理想气体混合过程的熵变,相变过程的熵变,化学过程的熵变,2023/3/31,熵变的计算,2023/3/31,理想气体简单状态变化过程的熵变,理想气体等温可逆变化,理想气体定压可逆变化,理想气体定容可逆变化,2023/3/31,理想气体简单状态变化过程的熵变,例1-4：1mol、298K理想气体经：(1)定温可逆膨胀，(2)向真空自由膨胀两种过程及压力由101.3kPa变为10.13kPa，计算两种过程体系的熵变，并判断过程的自发性。,解：（1）理想气体定温可逆膨胀,所以,2023/3/31,理想气体简单状态变化过程的熵变,（2）向真空自由膨胀时，因体系的始、终态相同，所以体系熵变与定温可逆过程相同,而自由膨胀过程体系与环境无热交换,自由膨胀过程的总熵变,所以自由膨胀过程是自发的。,2023/3/31,理想气体混合过程的熵变,理想气体（或理想溶液）的等温混合过程，并符合分体积定律，即,2023/3/31,理想气体混合过程的熵变,例3：求2molA气体与3molB气体在定温定压下混合过程的熵变？,解：,混合后,两种气体混合后熵是增加的。,2023/3/31,相变过程的熵变,等温等压可逆相变,2023/3/31,相变过程的熵变,若是不可逆相变，应设计可逆过程。,寻求可逆途径的依据：(1)途径中的每一步必须可逆；(2)途径中每步S 的计算有相应的公式可利用；(3)有相应于每步S 计算式所需的热数据。,2023/3/31,相变过程的熵变,计算101.3kPa及263K下，1mol液态水凝固为冰时的熵变，并判断该过程的方向。已知：H凝=-6020J/mol,2023/3/31,相变过程的熵变,计算101.3kPa及263K下，1mol液态水凝固为冰时的熵变，并判断该过程的方向。已知：H凝=-6020J/mol,解：,101.3kPa及263K，冰水不能平衡共存，是不可逆相变。所以需要设计可逆过程完成始终态间的变化,2023/3/31,相变过程的熵变,用 尚不能判断过程的方向，还要计算出环境的熵变，将两者熵变合在一起考虑。,因为是定压过程，所以过程的定压热H可用基尔霍夫公式求出,2023/3/31,相变过程的熵变,所以101.3kPa及263K下，1mol液态水凝固为冰是自发的。,2023/3/31,化学过程的熵变,“在0 K时，任何纯物质的完美晶体（只有一种排列方式）的熵值都等于零。”,热力学第三定律的内容：,2023/3/31,化学过程的熵变,规定在0K时完整晶体的熵值为零，从0K到温度T进行积分，这样求得的熵值称为规定熵（ST）。标准摩尔熵 指1摩尔纯物质在指定温度T及标准态下的规定熵。,2023/3/31,化学过程的熵变,(1)在标准压力下，298.15 K时，各物质的标准摩尔熵值有表可查。根据化学反应计量方程，可以计算反应进度为1 mol时的熵变值。,(2)在标准压力下，求反应温度T时的熵变值。298.15K时的熵变值从查表得到：,2023/3/31,练习题,2023/3/31,2.7热力学第二定律的本质和熵的统计意义,热与功转换的不可逆性,热是分子混乱运动的一种表现，而功是分子有序运动的结果。,功转变成热是从规则运动转化为不规则运动，混乱度增加，是自发的过程；,而要将无序运动的热转化为有序运动的功就不可能自动发生。,2023/3/31,2.7热力学第二定律的本质和熵的统计意义,气体混合过程的不可逆性,将N2和O2放在一盒内隔板的两边，抽去隔板，N2和O2自动混合，直至平衡。,这是混乱度增加的过程，也是熵增加的过程，是自发的过程，其逆过程决不会自动发生。,2023/3/31,2.7热力学第二定律的本质和熵的统计意义,热传导过程的不可逆性,处于高温时的体系，分布在高能级上的分子数较集中；,而处于低温时的体系，分子较多地集中在低能级上。,当热从高温物体传入低温物体时，两物体各能级上分布的分子数都将改变，总的分子分布的花样数增加，是一个自发过程，而逆过程不可能自动发生。,2023/3/31,热力学第二定律的本质,热力学第二定律指出，凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性。,从以上几个不可逆过程的例子可以看出，一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量度，这就是热力学第二定律所阐明的不可逆过程的本质。,2023/3/31,练习题,2023/3/31,练习题,2023/3/31,练习题,设计可逆途径：,2023/3/31,练习题,2023/3/31,2.8亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能,为什么要定义新函数,亥姆霍兹自由能,吉布斯自由能,2023/3/31,为什么要定义新函数,热力学第一定律导出了热力学能这个状态函数，为了处理热化学中的问题，又定义了焓。,热力学第二定律导出了熵这个状态函数，但用熵作为判据时，体系必须是孤立体系，也就是说必须同时考虑体系和环境的熵变，这很不方便。,通常反应总是在等温、等压或等温、等容条件下进行，有必要引入新的热力学函数，利用体系自身状态函数的变化，来判断自发变化的方向和限度。,2023/3/31,新函数的推导,2023/3/31,吉布斯自由能,2023/3/31,吉布斯自由能,吉布斯（Gibbs J.W.,18391903）定义了一个状态函数：,G称为吉布斯自由能（Gibbs free energy），是状态函数，具有广度性质，绝对值不能确定，具有能量量纲。,2023/3/31,吉布斯自由能,2023/3/31,吉布斯自由能,如果体系在等温、等压、且不作非体积功的条件下，,或,等号表示可逆过程，不等号表示是一个自发的不可逆过程，即自发变化总是朝着吉布斯自由能减少的方向进行。这就是吉布斯自由能判据，因为大部分实验在等温、等压条件下进行，所以这个判据特别有用。,2023/3/31,吉布斯自由能,封闭体系,2023/3/31,亥姆霍兹自由能,亥姆霍兹（von Helmholz,H.L.P.,18211894,德国人）定义了一个状态函数,A称为亥姆霍兹自由能（Helmholz free energy），是状态函数，具有容量性质。,2023/3/31,亥姆霍兹自由能,2023/3/31,亥姆霍兹自由能,如果体系在等温、等容且不作非体积功的条件下,或,等号表示可逆过程，或者体系处于平衡态，不等号表示是一个自发的不可逆过程，即自发变化总是朝着亥姆霍兹自由能减少的方向进行。这就是亥姆霍兹自由能判据。,2023/3/31,热力学基本关系式,2023/3/31,练习题,2023/3/31,练习题,2023/3/31,吉布斯自由能与温度、压力的关系,2023/3/31,吉布斯自由能与温度、压力的关系,2023/3/31,2.10 G的计算示例,简单状态变化的G,相变化中的G,2023/3/31,简单状态变化的G；相变化中的G,1.可逆相变的G=02.不可逆相变的G需要设计可逆途径进 行计算,2023/3/31,练习题,2023/3/31,练习题,2023/3/31,练习题,2023/3/31,可逆过程的设计,2023/3/31,可逆过程的设计,2023/3/31,可逆过程的设计,2023/3/31,练习题,2023/3/31,练习题,2023/3/31,通过对例题的详解，可以看出：,1.选定体系、明确界面位置对于解题的重要性。2.判断一个途径可逆与否，可以用不同方法。最原始的方法是计算经过一个循环后总做功量和总吸热量；也可以用孤立体系总熵变的计算来判断。但这两种方法比较繁琐。对于一个实际条件下的变化，用或判断较为方便，但一定要注意变化途径的条件，选取恰当的状态函数。3.不同方法判断同一变化途径的可逆与否，结论是一致的。说明热力学是一个封闭体系，可以自圆其说。由此可知，求解同一问题，可有不同思路，一题可以多解，但结果应该是唯一的。,
