熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律

(1)概述
　　①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。(不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化,這是按照熱傳導(dǎo)的方向來(lái)表述的)

　?、诓豢赡軓膯我粺嵩慈?，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響(這是從能量消耗的角度說(shuō)的,它說(shuō)明第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。）

(2)說(shuō)明
　?、贌崃W(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一。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)。

　　上述(1)中①的講法是克勞修斯(Clausius)在1850年提出的。②的講法是開(kāi)爾文于1851年提出的。這些表述都是等效的。

　　在①的講法中，指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動(dòng)向高溫物體轉(zhuǎn)移，也就是說(shuō)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)過(guò)來(lái)，只有靠消耗功來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　在②的講法中指出，自然界中任何形式的能都會(huì)很容易地變成熱，而反過(guò)來(lái)熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下*變成其他形式的能，從而說(shuō)明了這種轉(zhuǎn)變?cè)谧匀粭l件下也是不可逆的。熱機(jī)能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C(jī)械功，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和*定律不同，*定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過(guò)程進(jìn)行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 ．

　?、谌藗?cè)O(shè)想制造一種能從單一熱源取熱，使之*變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響的機(jī)器，這種空想出來(lái)的熱機(jī)叫第二類永動(dòng)機(jī)。它并不違反熱力學(xué)*定律，但卻違反熱力學(xué)第二定律。有人曾計(jì)算過(guò)，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低O.25度，放出熱量，將能變成一千萬(wàn)億度的電能足夠*使用一千年。但只用海洋做為單一熱源的熱機(jī)是違反上述第二種講法的，因此要想制造出熱效率為的熱機(jī)是不可能的。

　?、蹚姆肿舆\(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)看，作功是大量分子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而熱運(yùn)動(dòng)則是大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。顯然無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)要變?yōu)橛幸?guī)則運(yùn)動(dòng)的幾率極小，而有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)變成無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的幾率大。一個(gè)不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部自發(fā)的過(guò)程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行，從此可見(jiàn)熱是不可能自發(fā)地變成功的。

　?、苤荒苓m用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過(guò)程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無(wú)限的宇宙。

　?、莞鶕?jù)熱力學(xué)第零定律，確定了態(tài)函數(shù)——溫度；

　　根據(jù)熱力學(xué)*定律，確定了態(tài)函數(shù)——內(nèi)能和焓；

　　根據(jù)，也可以確定一個(gè)新的態(tài)函數(shù)——熵。．可以用熵來(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，人們就用態(tài)函數(shù)熵來(lái)描述這個(gè)差異，從理論上可以進(jìn)一步證明:

　　可逆絕熱過(guò)程Sf=Si，

　　不可逆絕熱過(guò)程Sf>Si，

　　式中Sf和Si分別為系統(tǒng)的zui終和zui初的熵。

　　也就是說(shuō)，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(wú)規(guī)則，更無(wú)秩序的狀態(tài)演變。熵體現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。

　　第二定律在有限的宏觀系統(tǒng)中也要保證如下條件：

　　1、該系統(tǒng)是線性的；

　　2、該系統(tǒng)全部是各向同性的。

　　另外有部分推論很有意思：比如熱輻射：恒溫黑體腔內(nèi)任意任意位置及任意波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都相同，且在加入任意光學(xué)性質(zhì)的物體時(shí)，腔內(nèi)任意位置及任意波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都不變。

與時(shí)間的單方向性
　　所有不涉及熱現(xiàn)象的物理規(guī)律均時(shí)間反演對(duì)稱, 它們沒(méi)有對(duì)時(shí)間的方向作出規(guī)定. 所謂時(shí)間反演, 通俗地講就是時(shí)光倒流; 而物理定律時(shí)間反演對(duì)稱則指, 經(jīng)過(guò)時(shí)間反演后, 該定律依然成立.

　　以牛頓定律為例, 它是時(shí)間反演對(duì)稱的. 不妨考察自由落體運(yùn)動(dòng): 一物體由靜止開(kāi)始, 在重力作用下自由下落, 其初速度V(0)=0, 加速度a=g, 設(shè)其末速度為V(t), 下落高度為h. 現(xiàn)進(jìn)行時(shí)間反演, 則有其初速度V''(0)=-V(t), 加速度a''=g, 末速度V''(t)=V(0), 上升高度為h, 易證這依然滿足牛頓定律.

　　但熱現(xiàn)象則不同, 一杯水初始溫度等于室溫, 為T(mén)(0), 放在點(diǎn)燃酒精燈上, 從酒精燈火焰吸收熱量Q后溫度為T(mén)(t). 現(xiàn)進(jìn)行時(shí)間反演, 則是水的初溫為T(mén)''(0)=T(t), 放在點(diǎn)燃酒精燈上, 放出熱量Q給酒精燈火焰, 自身溫度降為T(mén)''(t)=T(0). 顯然這違背了關(guān)于熱量只能從高溫物體傳向低溫物體的陳述. 故禁止時(shí)間反演. 在*個(gè)例子中, 如果考慮到空氣阻力, 時(shí)間反演后也會(huì)與理論相悖, 原因在于空氣阻力做功產(chǎn)生了熱.

　　體現(xiàn)了客觀世界時(shí)間的單方向性, 這也正是熱學(xué)的特殊性所在.

　　是熱力學(xué)定律之一，是指熱永遠(yuǎn)都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處。

　　1824年法國(guó)工程師薩迪·卡諾提出了卡諾定理，德國(guó)人克勞修斯（Rudolph Clausius）和法國(guó)人開(kāi)爾文（Lord Kelvin）在熱力學(xué)*定律建立以后重新審查了卡諾定理，意識(shí)到卡諾定理必須依據(jù)一個(gè)新的定理，即。他們分別于1850年和1851年提出了克勞修斯表述和開(kāi)爾文表述。這兩種表述在理念上是相通的。