淺論熱力學(xué)第二定律的發(fā)展與應(yīng)用

1、熱工學(xué)課程論文題 目 淺論熱力學(xué)第二定律的發(fā)展與應(yīng)用學(xué) 院 工程技術(shù)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí) 2012級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 成 績(jī) 2014年 12 月 目錄摘要31 前言32 熱力學(xué)第二定律的建立及其發(fā)展32.1 熱力學(xué)第二定律建立的歷史過(guò)程32.2 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)42.2.1可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程42.2.2開(kāi)氏與克氏的兩種表述42.3  熱力學(xué)第二定律的含義53 熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用53.1 通過(guò)熵增原理，理解能源危機(jī)53.2 理解時(shí)間的流逝63.3 黑洞溫度的發(fā)現(xiàn)63.4 形成宇宙的耗散結(jié)構(gòu)理論74 總結(jié)7參考文獻(xiàn):7淺論熱力學(xué)第二定律的

2、發(fā)展與應(yīng)用xxxxxx西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2012級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化1班摘要:熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，是指熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體或者說(shuō)不可能制造出只從一個(gè)熱源取得熱量，使之完全變成機(jī)械能而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。它是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理、化學(xué)過(guò)程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。本文綜述了該定律的提出、演變歷程、并介紹了它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:熱力學(xué)第二定律 演變歷程 應(yīng)用1 前言熱力學(xué)第二定律，不僅決定了能量轉(zhuǎn)移的方向問(wèn)題，對(duì)信息技術(shù)，生命科學(xué)以及人文科學(xué)的發(fā)展都起到了非常重要的作用，應(yīng)用極其廣泛。熱力學(xué)第二定律

3、對(duì)新世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)乃至整個(gè)社會(huì)的發(fā)展都產(chǎn)生重要影響。2 熱力學(xué)第二定律的建立及其發(fā)展 2.1 熱力學(xué)第二定律建立的歷史過(guò)程  19世紀(jì)初，巴本、紐可門(mén)等發(fā)明的蒸汽機(jī)經(jīng)過(guò)許多人特別是瓦特的重大改進(jìn)，已廣泛應(yīng)用于工廠(chǎng)、礦山、交通運(yùn)輸，但當(dāng)時(shí)人們對(duì)蒸汽機(jī)的理論研究還是非常缺乏的。熱力學(xué)第二定律就是在研究如何提高熱機(jī)效率問(wèn)題的推動(dòng)下，逐步被發(fā)現(xiàn)的，并用于解決與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程進(jìn)行方向的問(wèn)題。1824年，法國(guó)陸軍工程師卡諾在他發(fā)表的論文“論火的動(dòng)力”中提出了著名的“卡諾定理”，找到了提高熱機(jī)效率的根本途徑，但卡諾在當(dāng)時(shí)是采用“熱質(zhì)說(shuō)”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)來(lái)研究問(wèn)題的。從1840年到1847年間

4、，在邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人的努力下，熱力學(xué)第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起來(lái)了?！盁釀?dòng)說(shuō)”的正確觀點(diǎn)也普遍為人們所接受。1848年，開(kāi)爾文爵士根據(jù)卡諾定理，建立了熱力學(xué)溫標(biāo)。它完全不依賴(lài)于任何特殊物質(zhì)的物理特性，從理論上解決了各種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)不相一致的缺點(diǎn)。這些為熱力學(xué)第二定律的建立準(zhǔn)備了條件。1850年，克勞修斯從“熱動(dòng)說(shuō)”出發(fā)重新審查了卡諾的工作，考慮到熱傳導(dǎo)總是自發(fā)地將熱量從高溫物體傳給低溫物體這一事實(shí)，得出了熱力學(xué)第二定律的初次表述。后來(lái)歷經(jīng)多次簡(jiǎn)練和修改，逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)行物理教科書(shū)中公認(rèn)的“克勞修斯表述”。與此同時(shí)，開(kāi)爾文也獨(dú)立地從卡諾的工作中得出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述，后來(lái)

5、演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn)行物理教科書(shū)中公認(rèn)的“開(kāi)爾文表述”。上述對(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的，由一種表述的正確性完全可以推導(dǎo)出另一種表述的正確性。 2.2 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 2.2.1可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)。若存在另一過(guò)程，能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原，則原來(lái)的過(guò)程稱(chēng)為“可逆過(guò)程”。反之，如果用任何方法都不可能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則稱(chēng)之為“不可逆過(guò)程”。 可逆過(guò)程是一種理想化的抽象，嚴(yán)格來(lái)講現(xiàn)實(shí)中并不存在。大量事實(shí)告訴我們：與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆過(guò)程。 2.2.2開(kāi)氏與克氏的兩

6、種表述 開(kāi)爾文從熱功轉(zhuǎn)換的角度表述了第二定律：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響。也就是說(shuō)：自然界中任何形式的能都可以變成熱，而熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能。德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度，提出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述：熱量可以自發(fā)地從較熱物體傳遞至較冷物體，但不能自發(fā)地較冷物體傳遞至較熱物體。在自然條件下這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程是不可逆的，要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)，只有靠消耗功來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2.3  熱力學(xué)第二定律的含義 熱力學(xué)第二定律，熱力學(xué)基本定律之一，內(nèi)容為不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；

7、不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過(guò)程中熵的微增量總是大于零。 熱力學(xué)第二定律，也可以確定一個(gè)新的態(tài)函數(shù)熵?？梢杂渺貋?lái)對(duì)第二定律作定量的表述。第二定律指出在自然界中任何的過(guò)程都不可能自動(dòng)地復(fù)原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必需借助外界的作用，由此可見(jiàn)，熱力學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的不可逆過(guò)程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異，這種差異決定了過(guò)程的方向。在孤立系統(tǒng)內(nèi)對(duì)可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對(duì)不可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個(gè)規(guī)律叫做熵增加原理。這也是熱力學(xué)第二定律的又一種表述。3 熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用3.1 通過(guò)熵增原理，理解能源危機(jī) 按熱力學(xué)第二定律

8、的數(shù)學(xué)表達(dá)式， 對(duì)于與外界既無(wú)能量交換又無(wú)物質(zhì)交換的孤立系統(tǒng)，必有ds 0，這就是熵增原理。在孤立系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)中進(jìn)行的一切不可逆過(guò)程向熵增加的方向演化， 直到熵函數(shù)達(dá)到最大為止。在孤立或絕熱條件下，系統(tǒng)自發(fā)地由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)的過(guò)程，正是一種熵增的過(guò)程。平衡態(tài)對(duì)應(yīng)最大熵， 一定的外部條件確立系統(tǒng)的平衡態(tài)，最大熵也是指在一定外部條件下的最大。當(dāng)人們?nèi)紵?、石油原子核，能量的?wèn)題并無(wú)變化，從熱力學(xué)第一定律來(lái)看這一切，能量不會(huì)消失，也就不可能有能源危機(jī)。但是如果從熱力學(xué)第二定律來(lái)看這一切， 就會(huì)使人們擔(dān)心。燃燒資源，其結(jié)果是世界的熵?zé)o情地增加，它

9、所貯存的能量的“質(zhì)”隨之衰退，并向空間彌散，于是我們把自己帶進(jìn)了能源危機(jī)之中。我們要做的不是保住能的數(shù)量，而是要珍惜它的“質(zhì)”，應(yīng)該合理使用能量，降低熵的產(chǎn)生，提高能量的利用效率，并不斷開(kāi)發(fā)新能源。3.2 理解時(shí)間的流逝 熱力學(xué)第二定律是自然界所有單方向變化過(guò)程的共同規(guī)律，而時(shí)間的變化就是一個(gè)單向的不可逆的過(guò)程，因此可以這樣假設(shè)：時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方向，就是熵增加的方向。由此，熱力學(xué)第二定律就給出了一個(gè)時(shí)間箭頭，通過(guò)進(jìn)一步研究表明，能量守恒與時(shí)間的均勻性有關(guān)，即熱力學(xué)第一定律告訴我們，時(shí)間是均勻流逝的。這兩條定律合在一起就是：時(shí)間在向著特定的方向均勻地流逝著。 3.3 黑洞溫度的發(fā)

10、現(xiàn) 1972年，30歲的英國(guó)青年物理學(xué)家霍金，提出了黑洞的“面積定理”。證明了黑洞的面積A隨時(shí)間變化只能增加，不能減少，即 。這個(gè)定理認(rèn)為，物質(zhì)落入黑洞、兩個(gè)黑洞相撞等導(dǎo)致黑洞面積增加的過(guò)程，是可以發(fā)生的。而一個(gè)黑洞分裂為兩個(gè)黑洞的情況，由于會(huì)導(dǎo)致黑洞面積減少，因而是不可能發(fā)生的。面積定理，不由使人想起熱力學(xué)中的“熵”。幾乎與此同時(shí)，青年物理學(xué)家貝根斯坦和斯馬爾，各自獨(dú)立得出了關(guān)于黑洞的一個(gè)重要公式。這個(gè)公式把黑洞的一些參量組合成了類(lèi)似于熱力學(xué)第一定律的形式 式中M、J、Q分別是黑洞的總質(zhì)量、總角動(dòng)量、總電荷；A、V分別是黑洞的表面積、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和表面上的靜電勢(shì)。

11、k稱(chēng)為黑洞的表面重力。此公式與普通轉(zhuǎn)動(dòng)物體的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式 d非常相似。式中U、T、S分別是系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度和熵；、J、V、Q等物理意義與前式類(lèi)似。比較這兩個(gè)公式不難看出，黑洞面積A確實(shí)像熵S，而黑洞的表面重力k非常像溫度T。 3.4 形成宇宙的耗散結(jié)構(gòu)理論   著名比利時(shí)物理學(xué)家普利高津認(rèn)為熱力學(xué)第二定律是自然界的一條基本規(guī)律，他在不違背熱力學(xué)第二定律的條件下，找到了開(kāi)放系統(tǒng)由無(wú)序狀態(tài)變?yōu)樾碌挠行驙顟B(tài)的途徑。他認(rèn)為，開(kāi)放系統(tǒng)的熵可以定義為 其中為熵產(chǎn)生，由系統(tǒng)內(nèi)不可逆過(guò)程產(chǎn)生； 為熵流，由系統(tǒng)與外界交換能量或物質(zhì)所引起。熵產(chǎn)生

12、遠(yuǎn)不可能為負(fù)值，而熵流則可正可負(fù)還可以是零。由于外界有時(shí)候有負(fù)熵流入，系統(tǒng)的總熵可以保持不變乃至減小，系統(tǒng)保持穩(wěn)定或者達(dá)到有序形成“耗散結(jié)構(gòu)”。由此，普利高津得出我們的宇宙是一個(gè)無(wú)限發(fā)展的開(kāi)放系統(tǒng)，自然界不會(huì)變得越來(lái)越無(wú)序，而會(huì)變得越來(lái)越豐富多彩，會(huì)形成各種新的有序結(jié)構(gòu)，宇宙不可能處于“熱寂”狀態(tài)。從目前人類(lèi)對(duì)天文觀測(cè)的事實(shí)發(fā)現(xiàn)，宇宙是向著“熱寂”發(fā)展，從而證實(shí)了普利高的熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用正確性。 4 總結(jié)熱力學(xué)第二定律是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理、化學(xué)過(guò)程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。它對(duì)于人類(lèi)改進(jìn)蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和開(kāi)發(fā)利用能源具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)然現(xiàn)在還存在很多現(xiàn)象需要我們?nèi)ヌ剿髋c總結(jié)，所以物理探索的步伐永遠(yuǎn)都不會(huì)停止。參考文獻(xiàn):1陳黟,吳味隆.熱工學(xué)M.北京:高等教育出版社,2004. 2康立志.淺析熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用J.科技資訊,2008（13）：150