淺論熱力學第二定律的發(fā)展與應用

PAGEPAGE8熱工學課程論文題目淺論熱力學第二定律的發(fā)展與應用學院工程技術學院專業(yè)機械設計制造及其自動化年級2012級學號姓名指導教師成績2014年12月

目錄摘要 31前言 32熱力學第二定律的建立及其發(fā)展 32.1熱力學第二定律建立的歷史過程 32.2熱力學第二定律的實質 42.2.1可逆過程與不可逆過程 42.2.2開氏與克氏的兩種表述 42.3

熱力學第二定律的含義 53熱力學第二定律的應用 53.1通過熵增原理，理解能源危機 53.2理解時間的流逝 63.3黑洞溫度的發(fā)現 63.4形成宇宙的耗散結構理論 74總結 7參考文獻: 7

淺論熱力學第二定律的發(fā)展與應用xxxxxx西南大學工程技術學院2012級機械設計制造及其自動化1班摘要:熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體或者說不可能制造出只從一個熱源取得熱量，使之完全變成機械能而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機。它是關于在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。本文綜述了該定律的提出、演變歷程、并介紹了它在工農業(yè)生產和生活中的應用。關鍵詞:熱力學第二定律演變歷程應用1前言熱力學第二定律，不僅決定了能量轉移的方向問題，對信息技術，生命科學以及人文科學的發(fā)展都起到了非常重要的作用，應用極其廣泛。熱力學第二定律對新世紀的科學技術乃至整個社會的發(fā)展都產生重要影響。2熱力學第二定律的建立及其發(fā)展

2.1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)現的，并用于解決與熱現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“熱質說”的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?！盁釀诱f”的正確觀點也普遍為人們所接受。1848年，開爾文爵士根據卡諾定理，建立了熱力學溫標。它完全不依賴于任何特殊物質的物理特性，從理論上解決了各種經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。后來歷經多次簡練和修改，逐漸演變?yōu)楝F行物理教科書中公認的“克勞修斯表述”。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。

2.2熱力學第二定律的實質

2.2.1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，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”。

可逆過程是一種理想化的抽象，嚴格來講現實中并不存在。大量事實告訴我們：與熱現象有關的實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變?yōu)楣Χ划a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，而熱卻不能在不產生其他影響的條件下完全變成其他形式的能。德國物理學家克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度，提出了熱力學第二定律的另一種表述：熱量可以自發(fā)地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。在自然條件下這個轉變過程是不可逆的，要使熱傳遞方向倒轉，只有靠消耗功來實現。

2.3

熱力學第二定律的含義

熱力學第二定律，熱力學基本定律之一，內容為不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。

熱力學第二定律，也可以確定一個新的態(tài)函數——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。在孤立系統(tǒng)內對可逆過程，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。3熱力學第二定律的應用3.1通過熵增原理，理解能源危機

按熱力學第二定律的數學表達式，

對于與外界既無能量交換又無物質交換的孤立系統(tǒng)，必有ds

＞0，這就是熵增原理。在孤立系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)中進行的一切不可逆過程向熵增加的方向演化，

直到熵函數達到最大為止。在孤立或絕熱條件下，系統(tǒng)自發(fā)地由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)的過程，正是一種熵增的過程。平衡態(tài)對應最大熵，

一定的外部條件確立系統(tǒng)的平衡態(tài)，最大熵也是指在一定外部條件下的最大。當人們燃燒煤、石油原子核，能量的問題并無變化，從熱力學第一定律來看這一切，能量不會消失，也就不可能有能源危機。但是如果從熱力學第二定律來看這一切，

就會使人們擔心。燃燒資源，其結果是世界的熵無情地增加，它所貯存的能量的“質”隨之衰退，并向空間彌散，于是我們把自己帶進了能源危機之中。我們要做的不是保住能的數量，而是要珍惜它的“質”，應該合理使用能量，降低熵的產生，提高能量的利用效率，并不斷開發(fā)新能源。3.2理解時間的流逝

熱力學第二定律是自然界所有單方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的過程，因此可以這樣假設：時間的運動方向，就是熵增加的方向。由此，熱力學第二定律就給出了一個時間箭頭，通過進一步研究表明，能量守恒與時間的均勻性有關，即熱力學第一定律告訴我們，時間是均勻流逝的。這兩條定律合在一起就是：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。

3.3黑洞溫度的發(fā)現

1972年，30歲的英國青年物理學家霍金，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，不由使人想起熱力學中的“熵”。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分別是黑洞的總質量、總角動量、總電荷；A、Ω、V分別是黑洞的表面積、轉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)的內能、溫度和熵；Ω、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。

3.4形成宇宙的耗散結構理論

著名比利時物理學家普利高津認為熱力學第二定律是自然界的一條基本規(guī)律，他在不違背熱力學第二定律的條件下，找到了開放系統(tǒng)由無序狀態(tài)變?yōu)樾碌挠行驙顟B(tài)的途徑。他認為，開放系統(tǒng)的熵可以定義為

Ｓ＝ｄＳｉ＋ｄＳｅ其中ｄＳｉ為熵產生，由系統(tǒng)內不可逆過程產生；ｄＳｅ

為熵流，由系統(tǒng)與外界交換能量或物質所引起。熵產生ｄＳｉ遠不可能為負值，而熵流ｄＳｅ則可正可負還可以是零。由于外界有時候有負熵流入，系統(tǒng)的總熵可以保持不變乃至減小，系統(tǒng)保持穩(wěn)定或者達到有序形成“耗散結構”。由此，普利高津得出我們的宇宙是一個無限發(fā)展的開放系統(tǒng)，自然界不會變得越來越無序，而會變得越來越豐富多彩，會形成各種新的有序結構，宇宙不可能處于“熱寂”狀態(tài)。從目前人類對天文觀測的事實發(fā)現，宇宙是向著“熱寂”發(fā)展，從而證實了普利高的熱力學第二定律的應用正確性。

4總結熱力學第二定律是關于在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。它對于人類改進蒸汽機、內燃機和開發(fā)利用能源具有重要的指導意義。當然現在還存在很多現象需要我們去探索與總結，所以物理探索的步伐永遠都不會停止。參考文獻:[1]陳黟,吳味隆.熱工學[M].北京:高等教育出版社,2