当前课程知识点：大学化学 > 第七章 化学反应的方向 > 7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律 > Video
同学们好
下边我们继续关于
熵与热力学参数之间的
关系的讨论
在上一节当中
我们跟大家介绍了
熵是体系的
混乱度的量度
同时跟大家介绍了
中文的熵
是怎么样创造出来的
那么在这一节当中
我们将跟大家
重点的讨论
一个新的话题
也就是热力学第二定律
在上一节当中
我们介绍熵的时候
介绍了
克劳修斯是最早
在经典热力学领域
提出熵的概念的
他提出熵的概念
主要也是为了解决
热力学第二定律的
相关的问题
但是呢
研究热力学第二定律
相关问题的人
并非克劳修斯一人
比如说
英国的著名物理学家
开尔文
就提出了
关于热力学第二定律的
一个经典的描述
开尔文认为
如果从一个热源吸热
使之完全转化为功
而不产生其它的变化
是不可能的
这句话听起来有些拗口
但实际上
它告诉我们的一个事实是
我们不能够
把热无条件的
转化为功
这是开尔文描述
经典热力学第二定律的
最根本的核心
由于有了开尔文的这样一个
把握功与热之间转化的
一个最基本的基础
所以人们彻底否定了
第二类永动机的
制造的可能
同学们可能还记得
热力学第一定律
人们否定了
第一类永动机的制造可能
因为能量不可能凭空产生
也不可能被消灭
只能从一种形式转化为
另一种形式
虽然热力学第一定律
帮我们确定了
能量守恒这样一个观念
那么人们在能量守恒的状态下
是不是就可以
随意的造出
第二类永动机呢
所谓第二类永动机
就是指
我们把海水或者是
具有大的热容量的体系
当中的热量
通过降温的方式
把它抽取出来
抽取出来的热量
可不可以转化为
我们所需要的功
或者其它形式的能量呢
如果没有热力学第二定律
开尔文的描述
或许我们就会去幻想
用这样的方式
造出第二类的永动机
也就是
从单一热力源取热
而做功的永动机
而开尔文
对于第二定律的描述呢
就使我们彻底放弃了
这种幻想
也就是第二类永动机
也是不可能的
接下来
关于热力学第二定律的描述
我们还要回到
克劳修斯的描述上
因为前面我们介绍了
克劳修斯创造了一个
热力学参数 熵
它就是用来描述
我们体系的混乱度的
这样一个基本的物理量
同时通过熵呢
克劳修斯
可以从另一个侧面
帮我们描述
热力学第二定律
它的实质
克劳修斯认为
热从低温的物体
传给高温的物体
而不产生其它的变化
是不可能的
这句话
既反映了我们生活的常识
因为在生活当中
我们又知道
热量往往是从高温物体
传给低温物体的
低温物体呢是从高温环境当中
来吸热的
但是
这样的热量的传递过程
往往会以和环境之间的
相互作用为代价
只有单一通道的热量
从低温传递到高温区域
而不产生环境的变化
是违背热力学第二定律的
因此
也就是不可能发生的过程
为了更精确的
从数学模型上
描述这样的热力学第二定律
所规范的规律
克劳修斯呢通过熵的建立
给我们阐述了
一个数学的不等式
被称为克劳修斯不等式
克劳修斯不等式描述的是
不可逆过程当中的熵变ΔS
会大于不可逆过程当中的
热温商
同学们注意
这个热温商当中的商
就是我们数学的比值的商
而这个商呢
是我们在胡刚复教授创造
火字旁的熵之前
人们对于Entropy的
中文的理解
而热温商
它与我们的熵变之间的关系
在不可逆过程当中
熵与热温商
两者之间是不等的
而且熵变会大于
我们的可逆过程当中的
温度与热量的比值
如果换过来
这个过程
是一个可逆的过程
那么从始态到终态
这个时候的熵变呢
就会等于
我们在这个过程当中
我们的可逆的热效应
与等温过程当中的
温度的比值
也就这时候
对于可逆过程来讲
熵变ΔS呢 就会等于
可逆过程当中的
热温商
这是对于热力学第二定律
它的数学本质的
最经典的描述
为了更好的理解
克劳修斯不等式
它的数学的含义
我们不妨从
卡诺定理出发来讨论
我们这样的一个
热力学过程
与热力学定律建立的
内在联系
讲到卡诺定理
同学们马上就会回忆到
这位著名的法国工程师
虽然他
在世只有短短的36年
但是却为我们留下了
经典的
热与功之间转换的
卡诺循环这样一个
物理的典范
这样一个经典的模型
同学们在中学物理当中
已经接触过
它告诉我们
对于由介质来传递的
热与功之间的交换
当介质从高温热源
吸取热量Q1时
那么通过绝热的可逆膨胀呢
可以对外做功
然后再通过
恒温的可逆压缩呢
失去相应的热量Q2
高温热源的Q1
和低温热源失去的热量Q2
两者之间的差值呢
就于我们体系对外做功的
当量相关
利用这样的式子
人们可以通过
以工作介质为研究对象
对体系内能变化规律的研究呢
掌握在可逆过程当中
吸热、放热
与体系做功之间的
数学关系
因此
卡诺循环所代表的
蒸汽机的效率
可以用对外做功
和从高温热源吸热
两者之间的比值上
找到它们的内在的联系
我们可逆循环过程当中的
蒸汽机的可逆循环效率
η就会等于
相应的功与高温
热源吸热的总量
之间的比值
而我们的功呢
又与Q1和Q2之和有关
这时候我们把两者之间的
数学关系代入
就会发现
对于蒸汽机来讲
无论采取什么样的方式
进行可逆的循环
它的效率一定会是
小于1的
这是我们确定
蒸汽机的可逆循环的
一个最重要的物理基础
在这样的基础上
如果我们的循环介质当中
在可逆过程当中的吸热
它的温度变化是ΔT的话
那么这样的一个
可逆过程当中的吸热量
就会与我们相应的比热
有正比的关系
把这样的关系
代入到我们的蒸汽机的
可逆循环的效率当中
这样一个方程
就会变成了
相应的热量的比值
与我们的温度
之间的比值关系
这当中T1
是环境高温端的温度
T2是环境的
低温端的温度
这时候我们就发现
我们的蒸汽机的
可逆循环的效率
与环境的高温端
与低温端的
差值成正比
而与高温端的温度呢
成反比
这样一个经典的关系
就为人们后续
设计和提高
可逆热机的效率
创造了良好的条件
基于这样的条件
我们就可以得出
这么一个简单的方程
这个方程告诉我们
所有的工作于两个温度
一定的热源之间的热机
以可逆循环的
热机效率最大
而可逆循环的热机效率呢
又与我们的低温端
和高温端的
环境温度的比值
直接相关
两者的温度相差越大
可逆循环热机的效率
会越高
这也就是为什么
我们在蒸汽机
和燃气轮机的设计过程当中
一定要尽所能
来提高
高温端的区域的温度
其原因就在于
卡诺定律已经帮我们
揭示了
可逆循环过程当中的
循环的效率
与环境温度之间的关系
只要我们能够
把两者之间的
温度差拉的越大
可逆循环热机的效率呢
就会提的越高
这是卡诺定律
帮我们提供的
最方便的工作的依据
有了这样的依据
同学们
就可以进一步的研究
在可逆过程
和非可逆过程当中
热与温度之间的比值
相互的大小的数学关系
我们可以了解到
对于在两个热源之间的
可逆循环
由于这样的一个
可逆循环的
热机效率的影响呢
我们可以写出
这样一个方程
而这个方程当中
温度和相应的热量之间
又有了比例关系
我们把这样的比例关系
通过移项
通过分子和分母之间
乘以相同的这样的一个参数
会得到在可逆过程当中
如果是一个循环的过程的话
那么从始态到终态
我们整个的可逆过程当中的
热量的变化
与环境温度的比值
最后是等于0的
这样的结论
给我们最重要的启示是
可逆循环
它的热温商之和
是等于零的
也就是说
在可逆过程当中
我们可逆过程当中的
热量的变化
与我们恒温条件下的
温度的比值
就等于
可逆过程当中的熵变
而如果两个热源之间
是不可逆的循环
这时候根据卡诺定理呢
我们就知道
不可逆循环的
热机的效率呢要低于
可逆循环的热机的效率
所以
在这样的不可逆的过程当中
我们相应的温度与热量呢
也可以写出类似的方程
但是
两者之间的
这样的一个加和
却是小于0的
对于刚才的
两个热源之间的
可逆循环
我们会发现
不可逆循环的
热温商之和呢 会小于零
这样就为我们理解
克劳修斯
在始态与终态之间的
可逆和不可逆循环状况下
我们的熵变
与热温商之间的关系
也就是
克劳修斯不等式的建立呢
提供了一个
帮助我们理解的
形象的模型
有关克劳修斯不等式
与热力学第二定律
之间的数学关系
我们跟大家展示了
通过卡诺循环
和卡诺定理
推导的详细过程
同学们课后
还可以借助其它的参考书
和参考资料
包括我们课后的练习
对于克劳修斯不等式
涉及的相关的数学
和物理内容
加以理解和训练
有关热力学第二定律的问题呢
这一节
我们就介绍到这儿
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
--Video
-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
--Video
-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
--Video
-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
--Video
-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
--Video
-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
