高中物理熱力學(xué)第二定律知識(shí)點(diǎn)

學(xué)習(xí)必備 歡迎下載 高中物理熱力學(xué)其次定律學(xué)問點(diǎn)

一,高中物理熱力學(xué)其次定律建立的歷史過程

19世紀(jì)初,巴本,紐可門等制造的蒸汽機(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)的理論爭(zhēng)論仍是特殊缺乏的；熱力學(xué)第二定律就是在爭(zhēng)論如何提高熱機(jī)效率問題的推動(dòng)下,逐步被發(fā)覺的,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)是接受“熱質(zhì)說”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)來爭(zhēng)論問題的；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)第確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〔威廉·湯姆生〕依據(jù)卡諾定理,建立了熱力學(xué)溫標(biāo)〔確定溫標(biāo)〕；它完全不依靠于任何特殊物質(zhì)的物理特性,從理論上解決了各種體會(huì)溫標(biāo)不相一樣的缺點(diǎn)；這些為熱力學(xué)其次定律的建立預(yù)備了條件；

1850年,克勞修斯從“熱動(dòng)說”動(dòng)身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)其次定律的初次表述；后來歷經(jīng)多次簡(jiǎn)練和修改,逐步演化為現(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)立地從卡諾的工第1頁(yè)第1頁(yè),共6頁(yè)學(xué)習(xí)必備 歡迎下載作中得出了熱力學(xué)其次定律的另一種表述,后來演化為更精煉的現(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)其次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；

二,高中物理熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)

1.可逆過程與不行逆過程

一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),從某一狀態(tài)動(dòng)身,經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài)；如存在另一過程,能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原

〔即系統(tǒng)回到原先的狀態(tài),同時(shí)排除了原先過程對(duì)外界的一切影響〕,就原先的過程稱為“可逆過程”；反之,假如用任何方法都不行能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原,就稱之為“不行逆過程”；

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〔但它在理論上,運(yùn)算上有著重要意義〕；大量事實(shí)告知我們：與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不行逆過程；

2.對(duì)于開氏與克氏的兩種表述的分析

克氏表述指出：熱傳導(dǎo)過程是不行逆的；開氏表述指出：功變熱〔精確地說,是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能〕的過程是不行逆的； 兩種表述其實(shí)質(zhì)就是分別挑選了一種典型的不行逆過

程,指出它所產(chǎn)生的成效不論用什么方法也不行能使系統(tǒng)完

全復(fù)原原狀,而不引起其他變化；

請(qǐng)留意加著重號(hào)的語句：“而不引起其他變化”；比如,第2頁(yè)第2頁(yè),共6頁(yè)學(xué)習(xí)必備 歡迎下載制冷機(jī)〔如電冰箱〕可以將熱量Q由低 T2處〔冰箱內(nèi)〕向高溫溫T1處〔冰箱外的外界〕傳遞,但此時(shí)外界對(duì)制冷機(jī)做了電功W而引起了變化,并且高溫物體也多吸取了熱量

能轉(zhuǎn)化而來的〕；這與克氏表述并不沖突；Q〔這是電3.不行逆過程的幾個(gè)典型例子 例1〔理想氣體向真空自由膨脹間的隔板分為體積相等的兩部分：〕如圖1所示,容器被中A部分盛有理想氣體,B部分為真空；現(xiàn)抽掉隔板,就氣體就會(huì)自由膨脹而布滿整個(gè)容器；例2〔兩種理想氣體的擴(kuò)散混合〕如圖2所示,兩種理想氣體C和D被隔板隔開,具有相同的溫度和壓強(qiáng)；當(dāng)中間的

隔板抽去后,兩種氣體發(fā)生擴(kuò)散而混合；

例3焦耳的熱功當(dāng)量試驗(yàn)；

這是一個(gè)不行逆過程；在試驗(yàn)中,重物下降帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)水做功,使水的內(nèi)能增加；但是,我們不行能造出這樣一個(gè)機(jī)器：在其循環(huán)動(dòng)作中把一重物上升而同時(shí)使水冷卻而不引起外界變化；由此即可得熱力學(xué)其次定律的“普朗克表述”；

再如焦耳-湯姆生〔開爾文〕多孔塞試驗(yàn)中的節(jié)流過程和各種爆炸過程等都是不行逆過程；

4.熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)

對(duì)上面所列舉的不行逆過程以及自然界中其他不行逆第3頁(yè)第3頁(yè),共6頁(yè)學(xué)習(xí)必備 歡迎下載過程,我們完全能夠由某一過程的不行逆性證明出另一過程

的不行逆性,即自然界中的各種不行逆過程都是相互關(guān)聯(lián)的；我們可以選取任一個(gè)不行逆過程作為表述熱力學(xué)其次定律

的基礎(chǔ)；因此,熱力學(xué)其次定律就可以有多種不同的表達(dá)方

式；

但不論具體的表達(dá)方式如何,熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不行逆的,

并指出這些過程自發(fā)進(jìn)行的方向；

三,高中物理熱力學(xué)其次定律的統(tǒng)計(jì)意義

熱現(xiàn)象是與大量分子無規(guī)章熱運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的；我們以上述不行逆過程〔如例1中理想氣體的真空自由膨脹 〕為例,來簡(jiǎn)潔說明熱力學(xué)其次定律的統(tǒng)計(jì)意義；

如圖1所示,拉開隔板后,A部分的理想氣體將進(jìn)入 B〔原為真空〕中,從而布滿A,B整個(gè)空間；這個(gè)過程是不行逆的,我們從沒有見過這種現(xiàn)象：氣體自動(dòng)地由整個(gè)容器收縮到 A部分,而使B部分成為真空；這是為什么呢 .設(shè)容器中有1個(gè)分子,它退回到A部分的幾率為1/2;設(shè)容器中有2個(gè)分子,它們?nèi)客嘶氐紸部分的幾率為1/22=1/4; 設(shè)容器中有3個(gè)分子,它們?nèi)客嘶?A部分的幾率為1/23=1/8; 設(shè)容器中有 1mol某種理想氣體〔約6.02×1023 個(gè)分子〕；打一個(gè)有趣的比如：假如從動(dòng)物園中逃出一只黑猩猩,溜進(jìn)了計(jì)第4頁(yè)第4頁(yè),共6頁(yè)學(xué)習(xí)必備 歡迎下載算機(jī)室,用爪子在鍵盤上亂按；而將打印出的紙張按次序裝訂,恰巧是一部數(shù)百萬字的巨著——大英百科全書；上述幾率比這個(gè)笑話的幾率仍要小得不行比擬；

通過對(duì)上述簡(jiǎn)潔例子的分析,事實(shí)上是有一般意義的,即熱力學(xué)其次定律的統(tǒng)計(jì)意義是：一個(gè)不受外界影響的“孤立系統(tǒng)”,其內(nèi)部發(fā)生的過程,總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行,由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行；

四,高中物理熱力學(xué)其次定律的適用范疇

〔1〕熱力學(xué)其次定律是宏觀規(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)其次定律適用于“絕熱系統(tǒng)”或“孤立系

統(tǒng)”,對(duì)于生命體〔開放系統(tǒng)〕是不適用的；早在1851年開爾文在表達(dá)熱力學(xué)其次定律時(shí),就曾特殊指明動(dòng)物體并不像一架熱機(jī)一樣工作,熱力學(xué)其次定律只適用于無生命物質(zhì)； 〔3〕熱力學(xué)其次定律是建筑在有限的空間和時(shí)間所觀看到的現(xiàn)象上,不能被外推應(yīng)用于整個(gè)宇宙； 19世紀(jì)后半期,有些科學(xué)家錯(cuò)誤地把熱力學(xué)其次定律應(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(dá)到熱平穩(wěn),一切變化都將停止,從而宇宙也將死亡；要使宇宙從平穩(wěn)狀態(tài)重新活動(dòng)起來,只有靠外力的推動(dòng)才行；這就會(huì)為“上帝制造世界”等唯心主義供應(yīng)了所第5頁(yè)第5頁(yè),共6頁(yè)學(xué)習(xí)必備 歡迎下載謂“科學(xué)依據(jù)”；

“熱寂說”的荒謬,在于把無限的,開放的宇宙當(dāng)做熱力學(xué)中所說的“孤立系統(tǒng)”；熱力學(xué)中的“孤立系統(tǒng)”與無所不包,完全沒有外界存在的整個(gè)宇宙是根本不同的；事實(shí)上,科學(xué)后來的進(jìn)展已經(jīng)供應(yīng)了許多事實(shí),證明宇宙演化的過程不遵守?zé)崃W(xué)其次定律；正如恩格斯在《自然辯證法》中指出了“熱寂說”的謬誤；他依據(jù)物質(zhì)