2024年3月25日发(作者：亥高阳)
第五章 热力学第二定律与熵
教学目的与要求：
理解热力学第二定律的两种表述及其实质，知道如何判断可逆与不可逆过程；理解热
力学第二定律的实质及其与第一定律、第零定律的区别；理解卡诺定理与热力学温标；理
解熵的概念与熵增加原理；了解热力学第二定律的数学表达式；了解熵的微观意义及玻耳
兹曼关系。
教学方法：
课堂讲授。引导学生深刻理解热力学第二定律的实质。通过介绍宏观状态与微观状态
的关系来阐述熵的微观意义与玻耳兹曼关系，加深对熵概念的认识。
教学重点：
热力学第二定律的两种表述及其实质，热力学第二定律的实质，与第一定律、第零定
律的区别，熵的概念与熵增加原理
教学时数：12学时
主要教学内容：
§5.1 热力学第二定律的表述及其实质
一、 热力学第二定律的表述
在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它
不违反热力学第一定律，而且既经济又方便。
比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功（无需向低温热源
放热）。由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是
一种永动机。
1、开尔文(Kelvin) 表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其它
影响。
说明：
单一热源：指温度均匀的恒温热源。
其它影响：指除了“由单一热源吸收热量全部转化为功”
以外的任何其它变化。
功转化为热的过程是不可逆的。
思考1：判断正误：
功可以转换为热，而热不能转换为功。
---错，如：热机：把热转变成了功，但有其它变化：热量从高温热源传给了低温热源。
思考2：
理想气体等温膨胀过程中，从单一热源吸热且全部转化为功。这与热二律有矛盾吗？
---不矛盾。理气等温膨胀：把热全部变成了功，但系统伴随了其它变化：气体的体积膨胀。
2、克劳修斯(Clausius)表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它影响。
“热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的”
“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”
思考3：判断正误。
热量能够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。
---错。如：致冷机（包括：冰箱、空调……）把热量从低温物体传到高温物体，但外界必须
做功，必然发生了某些变化。
3、其它表述：
理想气体的绝热自由膨胀过程。
普朗克表述：不可能制造一个机器，在循环动作中把一重物升高而同时使一热库冷却。
二、 各种表述等效性(不可逆性相互依存)
1、若功热转换的方向性（开氏表述）消失热传递的方向性（克氏表述）也消失
假想装置
W
T
Q
T >T
0
热源T
0
T
Q
热源T
0
(b)
(a)
2、若热传递的方向性（克氏表述）消失功热转换的方向性（开氏表述）也消失
高温热源T
1
Q
2
Q
1
假想装置
W
Q
2
低温热源T
2
(a)
卡诺热机
Q
2
高温热源T
1
Q
1
- Q
2
低温热源T
2
(b)
总结：
各种宏观自然过程的不可逆性是相互依存的。一种过程的方向性存在(或消失)，则
另一过程的方向性也存在(或消失)。只需承认其中之一的不可逆性，便可论证其它
过程的不可逆性。
2024年3月25日发(作者：亥高阳)
第五章 热力学第二定律与熵
教学目的与要求：
理解热力学第二定律的两种表述及其实质，知道如何判断可逆与不可逆过程；理解热
力学第二定律的实质及其与第一定律、第零定律的区别；理解卡诺定理与热力学温标；理
解熵的概念与熵增加原理；了解热力学第二定律的数学表达式；了解熵的微观意义及玻耳
兹曼关系。
教学方法：
课堂讲授。引导学生深刻理解热力学第二定律的实质。通过介绍宏观状态与微观状态
的关系来阐述熵的微观意义与玻耳兹曼关系，加深对熵概念的认识。
教学重点：
热力学第二定律的两种表述及其实质，热力学第二定律的实质，与第一定律、第零定
律的区别，熵的概念与熵增加原理
教学时数：12学时
主要教学内容：
§5.1 热力学第二定律的表述及其实质
一、 热力学第二定律的表述
在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它
不违反热力学第一定律，而且既经济又方便。
比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功（无需向低温热源
放热）。由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是
一种永动机。
1、开尔文(Kelvin) 表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其它
影响。
说明：
单一热源：指温度均匀的恒温热源。
其它影响：指除了“由单一热源吸收热量全部转化为功”
以外的任何其它变化。
功转化为热的过程是不可逆的。
思考1：判断正误：
功可以转换为热，而热不能转换为功。
---错，如：热机：把热转变成了功，但有其它变化：热量从高温热源传给了低温热源。
思考2：
理想气体等温膨胀过程中，从单一热源吸热且全部转化为功。这与热二律有矛盾吗？
---不矛盾。理气等温膨胀：把热全部变成了功，但系统伴随了其它变化：气体的体积膨胀。
2、克劳修斯(Clausius)表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它影响。
“热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的”
“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”
思考3：判断正误。
热量能够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。
---错。如：致冷机（包括：冰箱、空调……）把热量从低温物体传到高温物体，但外界必须
做功，必然发生了某些变化。
3、其它表述：
理想气体的绝热自由膨胀过程。
普朗克表述：不可能制造一个机器，在循环动作中把一重物升高而同时使一热库冷却。
二、 各种表述等效性(不可逆性相互依存)
1、若功热转换的方向性（开氏表述）消失热传递的方向性（克氏表述）也消失
假想装置
W
T
Q
T >T
0
热源T
0
T
Q
热源T
0
(b)
(a)
2、若热传递的方向性（克氏表述）消失功热转换的方向性（开氏表述）也消失
高温热源T
1
Q
2
Q
1
假想装置
W
Q
2
低温热源T
2
(a)
卡诺热机
Q
2
高温热源T
1
Q
1
- Q
2
低温热源T
2
(b)
总结：
各种宏观自然过程的不可逆性是相互依存的。一种过程的方向性存在(或消失)，则
另一过程的方向性也存在(或消失)。只需承认其中之一的不可逆性，便可论证其它
过程的不可逆性。