熱力學第二定律的演變歷程及其在生活中的應(yīng)用

1、熱力學第二定律的演變歷程及其在生活中的應(yīng)用張俊地信一班 1009010125 摘要：熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一， 是指熱永遠都只是由熱處轉(zhuǎn)到冷處 （自然 狀態(tài)下）。它是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理化學過程具有不可逆性 的經(jīng)驗總結(jié)。關(guān)鍵詞：熱力學第二定律，演變歷程，生活應(yīng)用 引言：熱力學第二定律是人們在生活實踐， 生產(chǎn)實踐和科學實驗的經(jīng)驗總結(jié)， 他們既不涉及 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，也不能用數(shù)學家易推倒和證明， 但它的正確性已被無數(shù)次的實驗結(jié)果所證 實。而且，從熱力學嚴格的推導(dǎo)出的結(jié)論都是非常精確和可靠的。 有關(guān)該定律額發(fā)現(xiàn)和演變 歷程是本文討論的重點。熱力學第二定律是有關(guān)熱

2、和功等能量形式相互轉(zhuǎn)化的方向和限度的 規(guī)律，進而推廣到有關(guān)物質(zhì)變化過程的方向與限度的普遍規(guī)律。1.熱力學第二定律的建立19 世紀初，巴本、紐可門等發(fā)明的蒸汽機經(jīng)過許多人特別是瓦特的重大改 進，已廣泛應(yīng) 用于工廠、礦山、交通運輸，但當時人們對蒸汽機的理論研究還是 非常缺乏的。熱力學第 二定律就是在研究如何提高熱機效率問題的推動下，逐步 被發(fā)現(xiàn)的，并用于解決與熱現(xiàn)象 有關(guān)的過程進行方向的問題。 1824 年，法國陸軍工程師卡諾在他發(fā)表的論文 “論火的動力” 中提出了著 名的“卡諾定理”，找到了提高熱機效率的根本途徑。 但卡諾在當時是采用 “熱質(zhì) 說”的錯誤觀點來研究問題的。從 1840 年到 18

3、47 年間，在邁爾、焦耳、亥姆 霍茲等人的 努力下， 熱力學第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起來了。 “熱動說”的正確觀點 也普遍為人們所接受。1848年，開爾文爵士（威廉湯姆生）根據(jù)卡諾定理，建立了熱力學溫 標（絕對溫標 ）。它完全不依賴于任何特殊物質(zhì)的物理特性，從理論上解決了各種經(jīng)驗溫標不相一致的缺點。這些為熱力學第二定律的建立準備了條件。1850 年，克勞修斯從“熱動說”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，得出了熱力學第二定律的初次表述。 后來歷經(jīng)多次簡練和修改， 逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)行物理教科書中公認的 “克勞修斯表述”。與此同時，開

4、爾 文也獨立地從卡諾的工作中得出了熱力學第二定 律的另一種表述， 后來演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn) 行物理教科書中公認的開爾文表述”。上述對熱力學第二定律的兩種表述是等價的，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。 他們都是指明了自然界宏觀過程 的方向性， 或不可逆性。 克勞修斯的說法是從熱傳遞方向上說的，即熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳向低溫 物體， 而不可能從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。這里 “不引起其他 變化 ”是很重要的。利用致冷機就可以把熱量從低溫物體傳向高溫物體，但是外 界 必須做功。開爾文的說法則是從熱功轉(zhuǎn)化方面去說的。功完全轉(zhuǎn)化為熱，即機 械能完全轉(zhuǎn) 化為內(nèi)能可以的，

5、在水平地面上運動的木塊由于摩擦生熱而最終停不 來就是一個例子。 但 反過來， 從單一熱源吸取熱量完全轉(zhuǎn)化成有用功而不引起其 他影響則是不可能的。 所謂“單 一熱源 ”，是指溫度均勻并且保持恒定的熱源， 如果熱源的溫度不是均勻的， 則可以從溫度 較高處吸收熱量， 又向溫度較低處放 出一部分， 這就等于工作在兩個熱源之間了。 所謂 “不 產(chǎn)生其他影響 ”，是指除 了從單一熱源吸熱， 這些熱量全部用來做功以外， 其他都沒有變 化。 如果沒有 “不 產(chǎn)生其他影響 ”這個限制，從單一熱源吸熱而全部轉(zhuǎn)化為功是可以做到 的，例如 理想氣體在等溫膨脹過程中， 氣體從熱源吸熱而膨脹做功， 由于這過程中理想氣 體

6、 保持溫度不變，而理想氣體又不考慮分子勢能，因此氣體的內(nèi)能保持不變，從 熱源吸收的 熱量就全部轉(zhuǎn)化成了功，但是這過程中氣體的體積膨脹了，因此不符 合 “不產(chǎn)生其他影響 ” 的條件。由此，熱力學第二定律建立。2熱力學第二定律的發(fā)展熱力學第二定律的兩個表述 自然界自發(fā)進行的過程具有方向性 ,總是由非平衡態(tài)走向平 衡態(tài) 1. 開爾文表述 （1851 年 ）：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機 ,只從單一熱源吸取 熱量， 使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。2.克勞休斯表述：熱量不可能自動地從低溫物體傳到高溫物體。 其實這 2 種表述是等價的， 而這 2 中表述的區(qū)別在于克氏表述指出： 熱傳導(dǎo) 過程是不可

7、逆的。開氏表述指出：功變熱 （確切地說， 是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 ）的過程是不可 逆的。 兩種表述其實質(zhì)就是分別挑選了一種典型的不可逆過程， 指出它所產(chǎn)生的效 果不 論用什么方法也不可能使系統(tǒng)完全恢復(fù)原狀，而不引起其他變化。比如，制冷機 （ 如電冰箱 ） 可以將熱量 Q 由低溫 T2 處（冰箱內(nèi) ）向高溫 T1 處 （冰箱外的外界 ）傳遞， 但此時外 界對 制冷機做了電功 W 而引起了變化，并且高溫物體也多吸收了熱量Q（ 這是電 能轉(zhuǎn)化而來的）。這與克氏表述并不矛盾。不可理過程有幾個典型例子， 比如焦耳的熱功當量實驗。 這是一個不可逆過程。 在實驗中， 重物下降帶動葉片轉(zhuǎn)動而對水做功，使水 的內(nèi)能

8、增加。但是，我們不可能造出這樣一個機 器：在其循環(huán)動作中把一重物升 高而同時使水冷卻而不引起外界變化。由此即可得熱力學 第二定律的“普朗克表述” 。再如焦耳 -湯姆生 （開爾文 ）多孔塞實驗中的節(jié)流過程和各種爆炸 過程等都是不可逆過程。熱力學第二定律的含義 對上面所列舉的不可逆過程以及自然界中其他不可逆過程， 我們完全能夠由 某一過程的不可逆性證明出另一過程的不可逆性， 即 自然界中的各種不可逆過程 都是互相關(guān)聯(lián)的。 我們可以選取任一個不可逆過程作為表述熱 力學第二定律的基 礎(chǔ)。因此，熱力學第二定律就可以有多種不同的表達方式。但不論具體 的表達方 式如何，熱力學第二定律的實質(zhì)在于指出：一切與熱

9、現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都 是不可逆的，并指出這些過程自發(fā)進行的方向。 熱力學第二定律，也可以確定一個新的態(tài) 函數(shù)熵。 可以用熵來對 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程 都不可能自動地復(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，熱力學 系統(tǒng)所進行的不 可逆過程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異， 這種差異決定了過程的方向， 人們就用態(tài)函數(shù)熵來描述這個差異，從理論上可以進一步證明 : 可逆絕熱過程 Sf=Si ， 不 可逆絕熱過程 Sf>Si ， 式中 Sf 和 Si 分別為系統(tǒng)的最終和最初的熵。 也就是說， 在孤立 系統(tǒng)內(nèi)對可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對

10、不可 逆過程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個規(guī) 律叫做熵增加原理。這也是熱力學 第二定律的又一種表述。熵的增加表示系統(tǒng)從幾率小的 狀態(tài)向幾率大的狀 態(tài)演變，也就是從比較有規(guī)則、有秩序的狀態(tài)向更無規(guī)則，更無秩序的 狀 態(tài)演變。熵體現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)。(1) 該系統(tǒng)是線性的； 第二定律在有限的宏觀系統(tǒng)中也要保證如下條件： (2) 該系統(tǒng)全部是各向同性的。3.熱力學第二定律的應(yīng)用熱力學第二定律的適用范圍(1)熱力學第二定律是宏觀規(guī)律，對少量分子組成的微觀系統(tǒng)是不適用的。 (2)熱力學第二定律適用于 “絕熱系統(tǒng) ”或“孤立系統(tǒng) ”，對于生命體 (開放 系統(tǒng) ) 是不適用的。早在 1851 年開爾文在敘述熱力

11、學第二定律時，就曾特別指明 動物體并不像 一架熱機一樣工作，熱力學第二定律只適用于無生命物質(zhì)。(3)熱力學第二定律是建筑在有限的空間和時間所觀察到的現(xiàn)象上， 不能被 外推應(yīng)用于整個宇宙。 19 世紀后半期， 有些科 學家錯誤地把熱力學第二定律應(yīng) 用到無限的、開放的宇宙，提出了所謂 “熱寂說 ”。他們聲 稱：將來總有一天， 全宇宙都是要達到熱平衡，一切變化都將停止，從而宇宙也將死亡。 要使宇宙從 平衡狀態(tài)重新活動起來，只有靠外力的推動才行。這就會為 “上帝創(chuàng)造世界 ”等 唯心主義提供了所謂 “科學依據(jù) ”。當然，這些只是些題外話。熱力學第二定律在日常生活中 也有很多的應(yīng)用，比如電冰箱， 空調(diào)等熱