熱力學第二定律論文

1、熱力學第二定律【摘要】熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處(在自然狀態(tài)下)。它是關于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(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)和生活中的應用?！続bstract】Second law of thermodynamics is one of the fundamental laws of thermodynamics is that heat will always be only by heat to a cool place (in the natural state).

2、 It is about the limited space and time, and the thermal motion of all the relevant physical and chemical processes are irreversible in the lessons learned. In this paper, the discovery of the law, development process, and introduces its industrial and agricultural production and the application of

3、life.【關鍵詞】熱力學第二定律，演變歷程，生活應用【Key words】second law of thermodynamics,livejournal,application【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)，它們既不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，也不能用數(shù)學加以推導和證明。但它的正確性已被無數(shù)次的實驗結(jié)果所證實。而且從熱力學嚴格地導出的結(jié)論都是非常精確和可靠的。有關該定律的發(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熱和功等能量形式相互轉(zhuǎn)化的方向與限度的規(guī)律，進而推廣到有關物質(zhì)變化過程的方向與限度的普遍規(guī)律。由于在生活實踐中，自發(fā)過程的種類極多，熱力學第

4、二定律的應用非常廣泛，諸如熱能與機械能的傳遞和轉(zhuǎn)換、流體擴散與混合、化學反應、燃燒、輻射、溶解、分離、生態(tài)等問題，本文將做相關介紹。1. 熱力學第二定律及發(fā)展1.1、熱力學第二定律建立的歷史過程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

5、錯誤觀點來研究問題的。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

6、斯表述”。與此同時，開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?？藙谛匏沟恼f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，在水平地面上運

7、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

8、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。1.2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。低溫熱源高溫熱源卡諾熱機WABCD 2. 克勞修斯表述：熱量不可能自動地從低溫物體傳到高溫物體WABCD高溫熱源低溫熱源卡諾致冷機下面我們從反面來說明這兩種說法的確是等價的：  如果我們否定克勞修斯的說法，認為熱量可以自發(fā)地從低溫物體B傳向高溫物體A，見圖41（a）的示意圖，設這個

9、熱量為Q，我們再設想有一個卡諾熱機，從高溫熱源A吸取熱量Q，一部分轉(zhuǎn)化為有用功W，另一部分Q傳給了低溫熱源B，這樣的整個過程中，高溫熱源A沒有發(fā)生變化，相當于只從低溫熱源B吸收了（QQ）的熱量而全部轉(zhuǎn)化為有用功，而不產(chǎn)生其他影響，從而開爾文的說法也就被否定了。   反過來，如果我們否定了開爾文的說法，認為可以從單一熱源A吸取熱量，全部轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響，見圖41（b）的示意圖，設這部分熱量為Q1，做的有用功為W1（Q1W1），我們再設想這部分有用功是帶動一個理想的致冷機工作，它從另一個低溫熱源B處吸收熱量Q2，向熱源A放出熱量Q1，則滿足Q1=Q2W1，

10、而Q1=W1，所以Q1=Q2Q1。這樣，總的效果相當于從低溫熱源B處吸收了熱量Q。，向高溫熱源A放出的熱量Q1，在補償了Q1以后，正好也是Q2，這就等于熱量Q。自發(fā)地從低溫熱源B傳向了高溫熱源地并沒有發(fā)生其他變化，這就否定了克勞修斯的說法。以上我們從正反兩個方面說明了關于熱力學第二定律的兩種說法是等價的，它們都是關于自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程的進行方向的規(guī)律。其實，熱力學第二定律還可以有其他很多種不同的表述方式。例如我國有一句成語“覆水難收”，其實是“覆水不收”。臉盆里的水潑到地上，是不可能再收回來的，這也可以看作是熱力學第二定律的一種表述形式。廣義地講，只要指明某個方面不可逆過程進行的方向性

11、就可以認為是熱力學第二定律的一種表述，因為所有不可逆。1.3熱力學第二定律的實質(zhì)可逆過程與不可逆過程一個熱力學系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程達到另一狀態(tài)。若存在另一過程，能使系統(tǒng)與外界完全復原(即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時消除了原來過程對外界的一切影響)，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)和外界完全復原，則稱之為“不可逆過程”?？赡孢^程是一種理想化的抽象，嚴格來講現(xiàn)實中并不存在(但它在理論上、計算上有著重要意義)。大量事實告訴我們：與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆過程。對于開氏與克氏的兩種表述的分析克氏表述指出：熱傳導過程是不可逆的。開氏表述指出：功變熱(確

12、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)完全恢復原狀，而不引起其他變化。請注意加著重號的語句：“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。不可逆過程幾個典型例子氣體向真空自由膨脹) 如圖1所示，容器被中間的隔板分為體積相等的兩部分：A部分盛有理想氣體，B部分為真空?，F(xiàn)抽掉隔板，則氣體就會自由膨脹而充滿整個容器。

13、例2(兩種理想氣體的擴散混合) 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。當中間的隔板抽去后，兩種氣體發(fā)生擴散而混合。例3 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

14、各種不可逆過程都是互相關聯(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。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：一切與熱現(xiàn)象有關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?？梢杂渺貋韺Φ诙勺鞫康谋硎?。 第二定律指出在自然界中任何的過程都不可能自動地復原，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

15、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)。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。2. 熱力學第二定律的應用2.1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。(

16、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)”。“熱寂說”的荒

17、謬，在于把無限的、開放的宇宙當做熱力學中所說的“孤立系統(tǒng)”。熱力學中的“孤立系統(tǒng)”與無所不包、完全沒有外界存在的整個宇宙是根本不同的。事實上，科學后來的發(fā)展已經(jīng)提供了許多事實，證明宇宙演變的過程不遵守熱力學第二定律。正如恩格斯在自然辯證法中指出了“熱寂說”的謬誤。他根據(jù)物質(zhì)運動不滅的原理，深刻地指出：“放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑指明這一途徑，將是以后自然科學的課題轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪贿\動形式，在這種運動形式中，它能重新集結(jié)和活動起來?！睙崃W第二定律和熱力學第一定律一樣，是實踐經(jīng)驗的總結(jié)，它的正確性是由它的一切推論都為實踐所證實而得到肯定2.2熱力學第二定律的統(tǒng)計意義1.1877年，奧地利

18、物理學家玻耳茲曼（Bolizmann,1844-1906）給出了一個著名公式：熵和體系宏觀狀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目的對數(shù)成正比，即（K為玻耳茲曼常數(shù)，W 叫熱力學幾率）所以熵是體系微觀狀態(tài)出現(xiàn)幾率的量度，也是體系無序程度的量度。熱力學第二定律的統(tǒng)計意義是：一個不受外界影響的“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)進行。1. 理氣分子由(真空)作絕熱自由膨脹，分子全回室的概率：2. 統(tǒng)計結(jié)論： 分子均勻分布的概率較大 個分子由絕熱自由膨脹，分子全回室的概率為  不可逆過

19、程，實質(zhì)上是系統(tǒng)由概率小的宏觀態(tài)向概率大的宏觀態(tài)變化的過程3. 不可逆過程的統(tǒng)計解釋  絕自膨，不均均  熱傳導，不均均  功熱轉(zhuǎn)換：規(guī)則運動能無規(guī)則運動能逆向過程概率很小，實際觀察不到2.3熱力學第二定律的一些典型應用對時間的理解我們已經(jīng)知道，熱力學第二定律事實上是所有單向變化過程的共同規(guī)律，而時間的變化就是一個單向的不可逆過程，對每個人都一樣，時間一去不復還，因此還可以這樣理解：時間的方向，就是熵增加的方向。這樣，熱力學第二定律就給出了時間箭頭。物理學的進一步研究表明，能量守恒與時間的均勻性有關。這就是說，熱力學第一定律

20、告訴我們，時間是均勻流逝的。結(jié)果我們看到：熱力學第一定律指出，時間是均勻的；熱力學第二定律指出，時間是有方向的。這兩條定律合在一起告訴我們：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。正如一句古詩描述的情景：“長溝流月去無聲”。這使得我們可以從另一新的角度來認識時間。 黑洞溫度的發(fā)現(xiàn)1972年，30歲的英國青年物理學家霍金（S.Hawking，1942），提出了黑洞的“面積定理”。證明了黑洞的面積A隨時間變化只能增加，不能減少，即 。這個定理認為，物質(zhì)落入黑洞、兩個黑洞相撞等導致黑洞面積增加的過程，是可以發(fā)生的。而一個黑洞分裂為兩個黑洞的情況，由于會導致黑洞面積減少，因而是不可能發(fā)生的。面積定理，不由使

21、人想起熱力學中的“熵”。但是黑洞面積與熵是風馬牛不相及的兩種東西，這樣去聯(lián)想它們，是不是太荒唐了呢？幾乎與此同時，青年物理學家貝根斯坦和斯馬爾，各自獨立得出了關于黑洞的一個重要公式。這個公式把黑洞的一些參量組合成了類似于熱力學第一定律的形式式中M、J、Q分別是黑洞的總質(zhì)量、總角動量、總電荷；A、V分別是黑洞的表面積、轉(zhuǎn)動角速度和表面上的靜電勢。k稱為黑洞的表面重力。此公式與普通轉(zhuǎn)動物體的熱力學第一定律表達式非常相似。式中U、T、S分別是系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度和熵；、J、V、Q等物理意義與前式類似。比較這兩個公式不難看出，黑洞面積A確實像熵S，而黑洞的表面重力k非常像溫度T。不久，人們又研究出黑洞的另

22、外兩個性質(zhì)，很像普通熱力學的第零定律和第三定律。下表比較了普通熱力學四定律與黑洞力學的相應性質(zhì)：普通熱力學黑洞力學第零定律 處于熱平衡的物體，具有均勻溫度T 穩(wěn)態(tài)黑洞的表面上，k是常數(shù)第一定律第二定律第三定律 不可能通過有限次操作，使 T 降到零 不可能通過有限次操作，使 k 降到零難道黑洞真的有溫度嗎？為此人們進行了熱烈的爭論。1973年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞專家聯(lián)名發(fā)表了一篇論文，聲稱：可以模仿熱力學定律給出黑洞力學的四條定律，但黑洞的溫度不能看作真實溫度，因為黑洞沒有熱輻射（不可能有任何物質(zhì)跑出黑洞?。?，而有真實溫度的物體，應該有熱輻射。因此他們把黑洞的四條定律，謹慎地稱為“黑

23、洞力學四定律”，而不是“黑洞熱力學四定律”。但是，幾個月后（1973年底），霍金就宣稱，他已證明，黑洞有熱輻射，黑洞的溫度是真實的，其值為式中kB 是玻爾茲曼常數(shù)，k是黑洞表面的重力加速度。對于一個M=Ms（太陽質(zhì)量）的黑洞，T=6×108K，可以忽略不計；而對于一個質(zhì)量為10億噸的小黑洞，溫度可達1012K。隨著黑洞質(zhì)量不斷減少，黑洞的溫度急劇升高，輻射越來越強，直至黑洞消亡為止。所以，“黑洞不黑，他會蒸發(fā)；黑洞不黑，越小越白?！焙诙礋彷椛涞陌l(fā)現(xiàn)，是黑洞研究的重大突破，也是時空理論的重大突破。為了紀念霍金的功績，人們把黑洞熱輻射叫做霍金輻射。1998年5月，安裝在哈勃望遠鏡上的最新

24、紅外線攝象機拍攝的一些照片表明，在距離地球1000萬光年的半人馬座A射電源的中央，存在一個巨大的黑洞，其質(zhì)量比10億個太陽還要大，它正在吞噬由恒星構(gòu)成的一個螺旋形星系。這些被高速吞噬的物質(zhì)的溫度達數(shù)百萬開，從而使黑洞中有超熱氣流噴出，并且發(fā)出強大的X射線和射電信號。耗散結(jié)構(gòu)理論的形成（1） 自組織現(xiàn)象與經(jīng)典熱力學的矛盾一個系統(tǒng)內(nèi)部由無序自發(fā)地變?yōu)橛行?，使其中大量分子或單元按一定的?guī)律運動的現(xiàn)象，稱為自組織現(xiàn)象。生命過程和無生命過程都存在著自組織現(xiàn)象。生命過程中，從分子、細胞直到有機個體和群體的不同水平上，無論在空間還是在時間上，都呈現(xiàn)初了有序現(xiàn)象。際上，生物體持續(xù)進行的自組織過程，就是系統(tǒng)內(nèi)不平衡的表現(xiàn)，而且，這一過程不會達到平衡；一旦達到平衡，有序狀態(tài)就會消失，生命也就終止了。因此，這些自組織現(xiàn)象無法用玻耳茲曼有序原理來解釋?，F(xiàn)象等。無生命世界和有生命世界都有自組織現(xiàn)象，使人們認識到這兩個世界在這方面遵循著相同的規(guī)律。普利高津（I.Prigogine，1917）的耗散結(jié)構(gòu)理論，就是在把物理和生物過程結(jié)合起來研究時提出來的，著重