熱力學(xué)第二定律的建立及意義

1、玉溪師專滋報(bào)（自然科學(xué)版）1992年報(bào)期熱力學(xué)第二定律的建立及意義高斌本文擬介紹熱力學(xué)第二定律的建立過程，以及在建立熱力學(xué)第二定律的過程中，主要的 幾位物理學(xué)家所作的貢獻(xiàn)，戰(zhàn)后闡述熱力學(xué)第二定律建立的意義。-、熱力學(xué)第二定律的建立十八世紀(jì)，由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，法國入巴本（第一部蒸氣機(jī)的發(fā)明者）、英國人紐 可門發(fā)明的蒸氣機(jī)在英國煤礦業(yè)得到了普遍的使用，特別是到了十九世紀(jì)，瓦特改進(jìn)了蒸氣 機(jī)以后，蒸氣機(jī)不僅在煤礦業(yè)，而且在工業(yè)、交通等行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。熱機(jī)在各行 業(yè)大鈕的出現(xiàn)，給物理學(xué)家提出了許多急待解決的理論問題，比如，熱現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的？ 如何捉高熱機(jī)的效率？熱機(jī)的效率有沒有一個(gè)上限？

2、永動(dòng)機(jī)能造成嗎？等等。首先對(duì)這些問題進(jìn)行深入研究的，是法國的工程師、物理學(xué)家桑地卡諾（Sadi Car- notl796-1832 ）o卡諾通過對(duì)大晟熱機(jī)運(yùn)動(dòng)的研究，發(fā)現(xiàn)它的基本過程并不是以單純的形 式出現(xiàn)，而是被各種次要過程掩蓋住了。為了得出所有熱機(jī)的普遍原理，他撇開了一些次 要因素，類比水車.設(shè)計(jì)了一部理想熱機(jī)，誦過對(duì)這部理相熱機(jī)循環(huán)過程的分析、研究，在 熱質(zhì)守恒和第一類永動(dòng)機(jī)不可能的基礎(chǔ)上得出了關(guān)于熱機(jī)效率的卡諾定理，他認(rèn)為“一個(gè)可 逆循環(huán)所提供的效率是屐大的”，“單獨(dú)提供熱不足以給出推動(dòng)力，必須還要有冷，沒有 冷，熱將是無用的”，“熱的動(dòng)力與用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的介質(zhì)無關(guān)，動(dòng)力的量僅由最終影響

3、熱素 傳遞的物體之間的溫度來確定”等等。從這些觀點(diǎn)不難歸納出以下兩點(diǎn)。a在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都相等，與 工作介質(zhì)無關(guān)。可表示為可可=耳；b在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都不能大于 可逆熱機(jī)的效率。可表示為可可耳不可這兩點(diǎn)合起來，就是現(xiàn)在物理學(xué)中所稱的卡諾定理。從卡諾得出卡諾定理的過程中可 旬,他巳利用了熱力學(xué)第一定律，即能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律（也可表述為第一類永動(dòng)機(jī)不可能 制成）接觸到了熱力學(xué)第一.定律，但遺憾的是他最終也沒能提出這兩定律，究其原因，主要 是由于他接受了錯(cuò)誤的熱質(zhì)說觀點(diǎn)，把熱的傳遞類比于水的流動(dòng)，認(rèn)為“水

4、從高處往低處流 動(dòng)的過程中，水可以對(duì)外界做功，而水的最不變。同樣，熱從高溫?zé)嵩磦鬟f到低溫?zé)嵩吹倪^70程中，也可對(duì)外界做功，而熱質(zhì)也是不變的?！倍鞲袼乖谧匀晦q證法一書中就提到“桑 地卡諾差不多巳探究到問題的底蘊(yùn)，而阻礙他完全解決這問題的，并不是事實(shí)材料的不足， 而是一個(gè)先入為主的錯(cuò)誤理論”（指熱質(zhì)說）由此可以看出，錯(cuò)誤的理論對(duì)科學(xué)研究的危害 是很大的?？ㄖZ在后期巳意識(shí)到了熱質(zhì)說的錯(cuò)誤，表述了能雖守恒與轉(zhuǎn)化的思想（從他留下的筆記 和手稿可得知）但由于他于1842年，僅36歲時(shí)，不幸死于霍占L,使得他的思想未能及時(shí)發(fā)表 出來，后人無不為之惋惜。試想，如卡諾不要相信熱質(zhì)說，不要受到熱質(zhì)說的影響，以至于

5、 在研究中走了不少彎路，他定能對(duì)熱力學(xué)一、二定律的建立作出更大的貢獻(xiàn)°不至于只提出 卡諾定理；只接觸到熱力學(xué)的兩大定律，起到一個(gè)過渡的作用。正式提出熱力學(xué)第二定律的是英國物理學(xué)家湯姆遜（開爾文，William Thomson, 1824-1907 ）和徳國物理學(xué)家克勞修斯（Rudolf Emanuel Clausius, 18221888 ） o十九世紀(jì)中葉，在邁爾、焦耳、法拉弟等一些科學(xué)家的共同努力下，熱力學(xué)第一定禪巳 經(jīng)建立起來，并被認(rèn)為是自然界中一條最基本的規(guī)律,它可表述為：自然界的一切物質(zhì)都具 冇能鍛，能駅有各種不同的形式，能夠從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，從一種形式轉(zhuǎn)化為另

6、一種形式，在傳遞和轉(zhuǎn)化中，能量的數(shù)呈不變。如果以U、U?表示物質(zhì)轉(zhuǎn)化或傳遞前后的 能屋，以A表示外界對(duì)物質(zhì)所作的功，以Q表示物質(zhì)從外界吸收的熱量，則能呈的守恒與轉(zhuǎn) 化定律可表示為，U2-U, =Q + A湯姆遜在研究熱現(xiàn)象的過程中，發(fā)現(xiàn)焦耳等科學(xué)家建立的能駅守恒與轉(zhuǎn)化定律同卡諾的 熱機(jī)理論有點(diǎn)矛盾。按能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，工作在高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩撮g的熱機(jī)，當(dāng)它向 外所做的功（-A）等于它從高溫?zé)嵩次盏臒酳Q,向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛?,內(nèi)能變化 Uz-U,=o時(shí)，此熱機(jī)的效率可達(dá)到100 %°而按卡諾熱機(jī)理論，工作在高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)?源間的熱機(jī)的效率以可逆熱機(jī)的效率為最大，而可逆熱機(jī)的

7、效率僅與高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。且耳可=1-T 低，因而熱機(jī)的效率不可達(dá)到100%。事實(shí)上，在制造熱機(jī)的過程中，也并未造出過這樣高效率的熱機(jī)。那么，是不是由此可說能量守恒與轉(zhuǎn)化定律不完備 呢？不能這樣認(rèn)為。因?yàn)槎墒窃诒姸嗟膶?shí)驗(yàn)和實(shí)踐中總結(jié)出來的，并被公認(rèn)了的規(guī)律。這只 能說明在熱機(jī)的問題中，存在著一條獨(dú)立于能鼠守恒與轉(zhuǎn)化定律之外的定律。開爾文正是看 到這點(diǎn)以后，在總結(jié)了其它一些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1851年在愛丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上發(fā)表了一篇 “論熱的動(dòng)力理論”的論文，文中提出了一條普遍的更理。他表述為“利用無生命物質(zhì)的 作用，把物質(zhì)任何部分冷到比它周圍最冷的客體以下，以產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，這是不可能

8、的”這 就是開爾文關(guān)于熱力學(xué)第二定律的原始說法?，F(xiàn)在表述為“不可能從單一熱源吸取熱量，使 之完全變?yōu)橛杏玫墓Γ划a(chǎn)生其它影響”。在開爾文提出熱力學(xué)第二定律的同時(shí)，克勞修斯在研究熱現(xiàn)象的過程中，從另一角度也 提出了此定律?？藙谛匏狗治隽丝ㄖZ的理論，注意到了卡諾學(xué)說的正確核心和不足之處，于1850年發(fā)表 了題為“論熱的動(dòng)力和由此得出的熱學(xué)理論的晉遍規(guī)律”論文，提出了自己的觀點(diǎn)，他認(rèn) 為：卡諾提出的“有溫度差就能產(chǎn)生動(dòng)力”，“熱星由一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)冷體”是正確 的，但卡諾提出的“這種轉(zhuǎn)移并無熱的損失，而熱的駅保持不變”是錯(cuò)誤的?？藙谛匏拐J(rèn)為 :“在功的產(chǎn)生過程中丿很可能有兩種過程同時(shí)發(fā)生，這就

9、是，從熱體吸收的熱疑，一部分 用來轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，另一部分熱雖傳到了另一個(gè)冷體，并且從高溫?zé)嵩次盏臒崃亢蛡鬟f到低 溫?zé)嵩吹臒崃颗c所產(chǎn)生的功有確定關(guān)系，在一切由熱生功的情況中，有一個(gè)和產(chǎn)生的功成正 比的熱量被消耗，并且反之，通過消耗同樣數(shù)變的功也能產(chǎn)生同樣數(shù)鼠的熱雖?！焙髞黹_爾 文把克勞修斯的上述思想表述為臺(tái)不借助任何外界作用的自動(dòng)機(jī)器把熱從一個(gè)物體傳到 另一個(gè)溫度缶它高的物體，這是不可能的”現(xiàn)在表述為“熱不能由低溫物體傳到高褊物體而 不引起其它變化”。這種表述稱為熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。開爾文和克勞修斯從不同角度表述了熱力學(xué)第二定律，他們的兩種表述雖然形式不同， 但描述的實(shí)意是一樣的，用

10、反證法可證明兩種表述實(shí)際上是等價(jià)的?？藙谛匏乖谔岢鰺崃W(xué)第二定律的表述后，又對(duì)它進(jìn)行了深入研究，于1854年發(fā)表了題 為“論熱的機(jī)械理論的第二定律的變化了的形式”論文，文中對(duì)熱力學(xué)第二定律又作了補(bǔ) 充，給出了一個(gè)最簡單，最一般的形式，即：對(duì)于任意的循環(huán)過程，0晉<0,式中，dQ為熱屋的變化，T為系統(tǒng)的溫度。=號(hào)適用于 可逆循環(huán)過程，V號(hào)適用于不可逆循環(huán)過程。到了 1865年克勞修斯由§晉-W 0式，又引出了一個(gè)新的重要的函數(shù)熾S,并規(guī)定ds=器-。引入躺以后，熱力學(xué)第二定律又可利用嫡概 念表述為爛増加原理，即*當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)從一平衡態(tài)經(jīng)絕熱過程到達(dá)另一平衡態(tài)時(shí)，它的埔永不減少，如

11、果過程是 可逆的，則爛的數(shù)值不變，如果過程是不可逆的，則爛的數(shù)值増加，可表示為'ds常此式為熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示。至此，經(jīng)過眾多物理學(xué)家的努力，熱力學(xué)第二定律才完整地建立起來。二、熱力學(xué)第二定律建立的意義/筆者把它們歸納為以下幾點(diǎn)*1、熱力學(xué)第二定律的建立，標(biāo)志著熱力學(xué)這一學(xué)科的形成。熱力學(xué)第二定律建立以后，與熱力學(xué)第一定律一起構(gòu)成了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)，熱力學(xué)中 的公式、結(jié)論基本上都是在這兩定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而得出的。2、熱力學(xué)第二定律的建立，促進(jìn)了物理學(xué)的一些學(xué)科的形成和發(fā)展。玻怎茲曼在麥克斯韋理論的基礎(chǔ)上，把熱力學(xué)第二定律中爛的概念與分子運(yùn)動(dòng)的幾率定 蠱地聯(lián)系起來，得出了玻爾茲曼關(guān)

12、系。即S = kclnW其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，s是系統(tǒng)的爛， W是反映系統(tǒng)某宏觀狀態(tài)所包含的微觀狀態(tài)的數(shù)目多少的熱力學(xué)幾率。這天系表明了系統(tǒng)狀 態(tài)熱力學(xué)幾率越大，則炳越大；無序性也越大；爛增加反映了微觀粒子的無序性増加。后72© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx ed. httpWA來，吉布斯導(dǎo)物理學(xué)家在玻耳茲曼爛理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出了兩門新的學(xué)科一統(tǒng)計(jì)力學(xué)和非 平衡態(tài)物理。1973年，肯斯坦從經(jīng)典廣義相對(duì)論的角度引入了黑洞爛的概念，把熱力學(xué)第二定律推廣

13、成廣義熱力學(xué)第二定律，解決了黑洞理論中的一些問題，使黑洞熱力學(xué)成為科學(xué)家們?nèi)找骊P(guān) 注的課題，促進(jìn)了天體物理學(xué)的發(fā)展。3、熱力學(xué)第二定律的建立，引出了一些爭(zhēng)論，推動(dòng)了物埋學(xué)的發(fā)展比較著名的爭(zhēng)論，是關(guān)于宇宙前景的爭(zhēng)論。克勞修斯得出熱力學(xué)第二定律以后，把它推 廣到了整個(gè)宇宙。認(rèn)為，由于宇宙是一個(gè)孤立系統(tǒng)，因此它就要滿足媽I增加原理，那么隨苕 宇宙的炳趨丁極大，宇宙將白發(fā)地由有序向無序發(fā)展，宇宙將達(dá)到熱平衡，也就是死亡。但 是，按達(dá)爾文的生物進(jìn)化論，生物是由細(xì)胞從簡單到復(fù)雜越來越有序發(fā)展而成的，因此，在 發(fā)展方向上，克勞修斯的理論與達(dá)爾文的進(jìn)化論就產(chǎn)生了矛盾，一個(gè)認(rèn)為是退化的、消極 的。而另一個(gè)認(rèn)為是

14、發(fā)展的、進(jìn)化的。為解決這一矛盾,度使科學(xué)界爭(zhēng)論不休，使科孕家大 為棘手，直到本世紀(jì)六十年代，比利時(shí)物理、化學(xué)家普利高律創(chuàng)立了耗散結(jié)構(gòu)理論后，才使 這矛盾獲得解決。普利薛律認(rèn)為：非平衡有序之源，一個(gè)開放系統(tǒng)1冇物質(zhì)、能量的交換， 爛的變化ds可分為兩部分，即ds = doS + dj sdeS是爛通過系統(tǒng)邊界的傳輸，小S是系統(tǒng)內(nèi) 部所產(chǎn)生的爛。而由熱力學(xué)第二定律，diS 永遠(yuǎn)大于零，而deS可以大于或等于零，即 隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)的爛可以減少，因而 系統(tǒng)可由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)變化。這樣， 在不違背熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，通過引 入負(fù)埔流來抵消摘產(chǎn)生，說明系統(tǒng)可從無序向新的有序轉(zhuǎn)化，從而解決了克

15、勞修斯的退化說與 達(dá)爾文進(jìn)化論之間的矛盾，把它們統(tǒng)一起來。4、熱力學(xué)第二定律建立后，它的影響巳超出了物理學(xué)范疇，波及到了其它學(xué)科。1948年，仙衣把熱力學(xué)第二定律中爛的槪念引入信息論中，把它作為一個(gè)隨機(jī)事件的不確 定性或信息呈的鈕度，從而奠定了現(xiàn)代信息論的科學(xué)理論展礎(chǔ)，大大促進(jìn)了信息論的發(fā)展。 近代，為研究化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)能與其它形式能覽的轉(zhuǎn)化以及各種化浮過程進(jìn)行的條件和方向 等問題，也把熱力學(xué)第二定律引進(jìn)了化學(xué)，形成了化學(xué)的一門學(xué)科一熱力學(xué)化學(xué)。也促進(jìn)了 化學(xué)的發(fā)展。總之，熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用，現(xiàn)巳遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出物理學(xué)范疇，直接或間接地 滲入到信息論、控制論、概率論、宇宙論，化學(xué)、地理甚至生命等各個(gè)

16、不同的領(lǐng)域，促進(jìn)了 這些領(lǐng)域的發(fā)展。5、熱力學(xué)第二定律的建立，揭示了時(shí)間的不可逆性、方向性。以前的經(jīng)典物俚和鈕子力學(xué)都認(rèn)為時(shí)間是可逆的，如牛頓方程和薛定謁方程中用-t代 瞽t方稈本身沒有變化，說明了時(shí)間顯可逆的，過去和未來沒冇反別，但人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活 中，卻感到“時(shí)間一去不復(fù)返” “人從小到大，決不會(huì)返老還童”說明時(shí)間是有方向的。熱 力學(xué)第二定律是物理學(xué)中第一個(gè)描述了時(shí)間不可逆性匝理的規(guī)律。736、熱力學(xué)第二定律的建立，引出了一些新的概念，使人們認(rèn)識(shí)社會(huì)自然的程度又更進(jìn) 了 一層。熱力學(xué)第二定律的建立和它的一些推廣應(yīng)用，給科學(xué)界提出了諸如炳、可逆性、不可逆 性、穩(wěn)定態(tài)、平衡態(tài)、有序、無序等一些新

17、的概念，使入們探索、改造自然又多了 一種工 具，認(rèn)識(shí)自然的程度又進(jìn)了一層，不少科學(xué)家都認(rèn)為，熱力學(xué)第二定律是自然界的基本規(guī)律 之一，而由它引出的埔概念完全可以與生物學(xué)中提出進(jìn)化的概念相媲美。由此可知，熱力學(xué) 第二定律對(duì)以后科學(xué)的推動(dòng)是巨大的。參考文獻(xiàn)(1)物理學(xué)史簡明教程陳統(tǒng)芳、鄒延肅 北京師范大學(xué)出版社。<2)物理學(xué)史教程巾先甲等 湖南教育出版社。(3) 熱學(xué)李椿等 人民教育出版社。(4) 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理馬本坤等 窩等教育出版社。(5 )統(tǒng)計(jì)物理學(xué)進(jìn)展郝柏林、于泳等 科學(xué)出版社。(6力學(xué)熱學(xué)專輯 大學(xué)物理編輯部。(7 )普里奇律與耗散結(jié)構(gòu)理論湛墾華、沈小峰等。(接上第69頁)“9”證法*Z2 =AD = CDZ2= ZA)=»AD= BD= CDZB + ZA