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1、熱力學(xué)第二定律的發(fā)展與應(yīng)用On the second law of thermodynamics' development andapplication淮陰工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院 應(yīng)用物理1101班 沈梅玲1104105106The establishme nt of the particle physics and the applicati on of physicsHuaiyi n tech applied physicsShe n Mei-li ng摘要:熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一,是指熱永遠(yuǎn)都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處。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)過程

2、具有不可逆性的 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。本文綜述了該定律的發(fā)現(xiàn)、演變歷程、并介紹了它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和化學(xué) 中的應(yīng)用。Abstract: Second law of thermod yn amics is one of the fun dame ntal laws of thermod yn amics is that heat will always be only by heat to a cool place. It is about the limited space and time, and the thermal moti on of all the releva nt physical a

3、nd chemical processes are irreversible in the less ons learn ed. In this paper, the discovery of the law, developme nt process, and in troduces its in dustrial and agricultural production and the application of life.關(guān)鍵詞:熱力學(xué)第二定律,演變歷程,應(yīng)用Keywords:sec ond law of thermod yn amics,livejournal,applicatio n

4、1引言熱力學(xué)第二定律是人們?cè)谏顚?shí)踐,生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),它們 既不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),也不能用數(shù)學(xué)加以推導(dǎo)和證明,但它的正確性已被無 數(shù)次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。有關(guān)該定律的發(fā)現(xiàn)和演變歷程是本文討論的重點(diǎn)。熱力 學(xué)第二定律是有關(guān)熱和功等能量形式相互轉(zhuǎn)化的方向與限度的規(guī)律,進(jìn)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。由于在生活實(shí)踐中,自發(fā)過程的種 類極多,熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用非常廣泛,本文將做相關(guān)介紹。2熱力學(xué)第二定律及發(fā)展2.1熱力學(xué)第二定律建立的歷史過程19世紀(jì)初,巴本、紐可門等發(fā)明的蒸汽機(jī)經(jīng)過許多人特別是瓦特的重大改 進(jìn),已廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、交通運(yùn)輸,但當(dāng)時(shí)人們對(duì)蒸汽機(jī)的理

5、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)的過程進(jìn)行方向的問題。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”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)來研究問題的。從1840年到1847年間,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了。“熱動(dòng)說”的正確觀點(diǎn)也普遍為人們所接受。1848年,開爾文爵士根據(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)

6、。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”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)行物理教科書中公認(rèn)的“克 勞修斯表述”。與此同時(shí),開爾文也獨(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,后來演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn)行物理教科書中公認(rèn)的“開爾文表述”。 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可逆過程與不可逆過程一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),從某一狀態(tài)出發(fā),經(jīng)過某一過程達(dá)到另

7、一狀態(tài)。若存在另 一過程,能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原,則原來的過程稱為“可逆過程”。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,則稱之為“不可逆過程”。可逆過程是一種理想化的抽象,嚴(yán)格來講現(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)際宏觀過程都是不可逆過程。2.2.2開氏與克氏的兩種表述開爾文從熱功轉(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: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

8、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)變過程是不可逆的, 要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn),只有靠消耗 功來實(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;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)一一熵。可以用熵來對(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,熱 力學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)之

9、間有著重大的差異,這種差 異決定了過程的方向。在孤立系統(tǒng)內(nèi)對(duì)可逆過程,系統(tǒng)的熵總保持不變; 對(duì)不可逆過程,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熱力學(xué)第二定律的適用范圍(1) 熱力學(xué)第二定律是宏觀規(guī)律,對(duì)少量分子組成的微觀系統(tǒng)是不適用的。(2) 熱力學(xué)第二定律適用于“絕熱系統(tǒng)”或“孤立系統(tǒng)”,對(duì)于生命體是不 適用的。早在1851年開爾文在敘述熱力學(xué)第二定律時(shí),就曾特別指明動(dòng)物體并 不像一架熱機(jī)一樣工作,熱力學(xué)第二定律只適用于無生命物質(zhì)。(3) 熱力學(xué)第二定律是建筑在有限的空間和時(shí)間所觀察到的現(xiàn)象上,不能被 外推應(yīng)用于整個(gè)宇宙

10、。19世紀(jì)后半期,有些科學(xué)家錯(cuò)誤地把熱力學(xué)第二定律應(yīng) 用到無限的、開放的宇宙,提出了所謂“熱寂說”。3.2熱力學(xué)第二定律的一些典型應(yīng)用3.2.1對(duì)時(shí)間的理解我們已經(jīng)知道,熱力學(xué)第二定律事實(shí)上是所有單向變化過程的共同規(guī)律,而時(shí)間的變化就是一個(gè)單向的不可逆過程, 對(duì)每個(gè)人都一樣,時(shí)間一去不復(fù)還,因 此還可以這樣理解:時(shí)間的方向,就是熵增加的方向。這樣,熱力學(xué)第二定律就 給出了時(shí)間箭頭。物理學(xué)的進(jìn)一步研究表明,能量守恒與時(shí)間的均勻性有關(guān)。 這 就是說,熱力學(xué)第一定律告訴我們,時(shí)間是均勻流逝的。結(jié)果我們看到:熱力學(xué)第一定律指出,時(shí)間是均勻的;熱力學(xué)第二定律指出,時(shí)間是有方向的。這兩條定律合在一起告訴我

11、們:時(shí)間在向著特定的方向均勻地流逝著。322黑洞溫度的發(fā)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 :A_ 0。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似于熱力學(xué)第一定律的形式kMA lJ V -.'8 二式中M J、C分別是黑洞的總質(zhì)

12、量、總角動(dòng)量、總電荷;A、Q、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)。k稱為黑洞的表面重力。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U 二T S 門 J V Q非常相似。式中U、T、S分別是系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度和熵;Q、J、V、Q等物 理意義與前式類似。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To3.2.3熱力學(xué)第二定律在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用根據(jù)熱力學(xué)第二定律,一切自發(fā)過程都是不可逆過程。而一切不可逆過程的 發(fā)展總是朝著使系統(tǒng)及有關(guān)周圍物質(zhì)的熵的總和趨于增大,只有在理想的可逆過 程中兩者熵的總和保持不變。即有dS+dSo%把熱力學(xué)第二定律應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)

13、,就是要判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向以及確定達(dá) 到化學(xué)平衡的條件。大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)可以按定溫-定壓反應(yīng)或定溫-定容反應(yīng)分析。對(duì)于這類反 應(yīng)過程,系統(tǒng)的溫度一定且與周圍環(huán)境溫度相同,因而有dS0=:Q /To=-:Q /t代入熵增原理的表達(dá)式便可得到TdS- :Q X)化學(xué)反應(yīng)過程有用功的表達(dá)式為、Wu w(dU-TdS)-、W在定溫-定壓反應(yīng)中,G= H-TS,狀態(tài)參數(shù)G稱為吉布斯自由能,也稱為吉布 斯函數(shù)。把吉布斯自由能引入上述定溫-定壓反應(yīng)過程的有用功的關(guān)系式,就可 得Wu <-dG對(duì)于可逆的定溫-定壓反應(yīng),反應(yīng)系統(tǒng)可作出最大的有用功。按式Wu <-dG(Wu ) max= dG即在

14、可逆的定溫-定壓過程中,系統(tǒng)所作的最大有用功等于系統(tǒng)吉布斯自由能的 降低。對(duì)于不可逆定溫-定壓反應(yīng), W|V Gi G2 (Wu)max即由于不可逆因素的影響,系統(tǒng)所作的有用功小于最大有用功。在定溫-定容反應(yīng)過程中,反應(yīng)系統(tǒng)的容積保持不變,故容積變化功為零。 反應(yīng)系統(tǒng)的有用功可表示為購u 匚 d(U TS) -dF式中F U TS為一個(gè)狀態(tài)參數(shù),稱為亥姆霍茲自由能,或稱為亥姆霍茲函數(shù)。 該式說明,在可逆的定溫定容反應(yīng)過程中,反應(yīng)系統(tǒng)所作的最大有用功等于系統(tǒng) 亥姆霍茲自由能的降低;而在不可逆的定溫-定容反應(yīng)過程中,系統(tǒng)所作的有用 功小于系統(tǒng)亥姆霍茲自由能的降低。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),

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