热力学第二定律总结

第三章 热力学第二定律总结

核心内容：

不可逆或自发

?Siso??S??Samb??2?QrT1??Q?0 可逆或平衡 Tamb?不可能

对于恒T、V、Wˊ=0过程：

不可逆或自发

?AT,V,W??0??(U?TS)??U?T?S?0 可逆或平衡 ?反向自发

对于恒T、p、Wˊ=0过程：

不可逆或自发

?GT,p,W??0??(H?TS)??H?T?S?0 可逆或平衡 ?反向自发

主要内容：三种过程（单纯pVT变化、相变、化学反应）W、Q、ΔU、ΔH、△S、△A、△G的计算及过程方向的判断。

一、内容提要

1、热力学第二定律的数学形式

不可逆或自发

?2?Q 可逆或平衡 ?S??1T不可能

上式是判断过程方向的一般熵判据。将系统与环境一起考虑，构成隔离系统则上式变为：

不可逆或自发

?Siso??S??Samb??2?QrT1??Q?0 可逆或平衡 Tamb?不可能

上式称为实用熵判据。在应用此判据判断过程的方向时，需同时考虑系统和环境的熵变。

将上式应用于恒T、V、Wˊ=0或恒T、p、Wˊ=0过程有：

不可逆或自发

?AT,V,W??0??(U?TS)??U?T?S?0 可逆或平衡 ?反向自发

此式称为亥姆霍兹函数判据。

不可逆或自发

?GT,p,W??0??(H?TS)??H?T?S?0 可逆或平衡 ?反向自发

此式称为吉布斯函数判据。

熵判据需同时考虑系统和环境，而亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据只需考虑系统本身。熵判据是万能判据，而亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据则是条件判据（只有满足下角标条件时才能应用）。

此外，关于亥姆霍兹函数和吉布斯函数，还有如下关系：

?AT?Wr ?AT,V?Wr?

?GT,p?Wr?

即恒温可逆过程系统的亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆功；恒温恒容可逆过程系统的亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆非体积功；恒温恒压可逆过程系统的吉布斯函数变化等于过程的可逆非体积功。

下面将△S、△A和△G的计算就三种常见的过程进行展开。

2、三种过程（物质三态pVT变化、相变、化学反应）△S、△A和△G的计算 （1）物质三态（g、l或s态）pVT变化（无相变、无化学反应）

恒容时：?SV??只有当

T2nCv,mdTTT1

恒压时：?Sp??T2nCP,mdTTT1

对于凝聚态物质的任意过程，由于熵随压力或体积的变化率很小，因此有：

?S??T2nCP,mdTTT1??T2nCV,mdTTT1

对于气态物质的任意过程，由于熵随压力或体积的变化率不可忽略，而

(?S?p?S?V)T?()V,()T??()p（麦克斯韦关系式），因此有： ?V?T?p?T?S??T2nCV,mdTTT1??V2V1T2nCV,mdTV2?p?S()dV????()dV

T1V1?T?VTTVT2nCp,mdTp2?V?S)dp????()dp

T1p1?T?VpTp或?S??其中(T2nCp,mdTTT1??(p1p2?p?V)V及()p可由气体的实际状态方程或实验数据求得。 ?T?T对于理想气体的任意过程，可以通过可逆途径计算其△S:

?S?nCv,mlnT2V?nRln2 T1V1?nCp,mlnT2p?nRln1 T1p2p2V?nCp,mln2 p1V1?nCv,mln这就是计算理想气体任意过程△S的万能公式。当过程恒容，恒压或恒温时，公式相应有更为简单的形式。

对于任意物态，△A和△G可根据A和G的定义式进行计算 △A=△U-△(TS) △G=△H-△(TS) 亦可根据A和G的热力学基本方程进行计算

?A???SdT??T1T2V2V1 pdV ?G???SdT??VdpT1p1T2p2（2）相变

相变分为可逆相变和不可逆相变两大类。由于熵变只等于可逆过程的热温熵，因此对于可逆相变，熵变可以通过相变过程的热温商直接进行计算。而对于不可逆相变。熵变必须通过设计可逆途径进行计算，即利用可逆相变数据以及熵是状态函数的性质进行计算。这也就是第一章中曾提到的状态函数法。

①可逆相变：在两相平衡温度和压力下的相变为可逆相变。相变一般为恒温恒压过程， Qp??H,因此,?S??2?QrT1?Q??12rT?QpT??H T②不可逆相变：不是在两相平衡温度或压力下的相变为不可逆相变。为了计算不可逆相变过程的熵变，通常设计一条包含有可逆相变步骤在内的可逆途径，而在具体设计可逆途径时，又分为如下两种情形： a、 改变相变温度：

T2，p下的相变：?相??????相 ΔS(T2) Δ S 1 ΔS 2

不可逆相变???相 T1，p下的相变：?相??? ΔS(T1)

可逆相变?S(T2)??S1??S(T1)??S2??T1nCp,m(?)dTTT2??S(T1)??T2nCp,m(?)dTTT1??S(T1)??T2?CpdTTT1

其中?Cp?nCp,m(?)?nCp,m(?)

b、改变相变压力：

T，p2下的相变：?相??????相 ΔS(p2)

ΔS1

不可逆相变