【熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用探究4600字】

熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用研究TOC\o"1-2"\h\u摘要 3關(guān)鍵詞 3引言 41熱力學(xué)第二定律 41.1熱力學(xué)第二定律的表述 41.2熱力學(xué)第二定律的不可逆性 52熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述 63熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用 83.1熱力學(xué)第二定律在理解時(shí)間上的應(yīng)用 83.2熱力學(xué)第二定律在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用 83.3熱力學(xué)第二定律在能源利用中的應(yīng)用 83.4熱力學(xué)第二定律在宇宙探索中的應(yīng)用 94總結(jié) 9參考文獻(xiàn) 10摘要：熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)中的基本定律，在實(shí)際的應(yīng)用中，它涉及到熱能或內(nèi)能轉(zhuǎn)換成其他類型的能量，這些過程都是具有方向性的，熱力學(xué)第二定律主要涉及熱能實(shí)際過程的方向，因此，它是人們生活實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，廣泛應(yīng)用于日常生活中。熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述都強(qiáng)調(diào)了在不進(jìn)行其他更改條件的情況下，不能直接從單一熱源獲取熱量并將其轉(zhuǎn)化為有用功，也不能直接從低溫物體轉(zhuǎn)化為高溫物體，同時(shí)，熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式也表明自然界中的每一個(gè)自發(fā)過程都會(huì)導(dǎo)致熵的增加，因此在各種研究探索中，它的應(yīng)用是十分廣泛的。關(guān)鍵詞：熱力學(xué)第二定律不可逆過程熵增加原理實(shí)際應(yīng)用引言第二熱力學(xué)定律是物理學(xué)中的一個(gè)非常重要的定律，它與熱力學(xué)第一定律有聯(lián)系，也有區(qū)別，熱力學(xué)第一定律包含著能量守恒和能量轉(zhuǎn)換，它表明自然界的熱力學(xué)系統(tǒng)必須結(jié)合能量守恒以及能量轉(zhuǎn)換。熱交換系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化規(guī)律與守恒之間的許多關(guān)系。熱力學(xué)第二定律反映了自然界中的秩序定律和條件，表明自然界中發(fā)生的過程是主導(dǎo)的，并且可以以某種方式實(shí)現(xiàn)該過程，而另一方面該過程卻無法實(shí)現(xiàn)，即永遠(yuǎn)不可逆。作為自然的重要定律，熱力學(xué)第二定律具有廣泛的應(yīng)用，例如在科學(xué)研究，能源消耗，宇宙探索等多方面都具有重要的應(yīng)用，本文從熱力學(xué)第二定律的提出、推導(dǎo)、表述等多個(gè)不同的角度出發(fā)，對熱力學(xué)第二定律在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。熱力學(xué)第二定律在很大程度上定義了宏觀熱物質(zhì)的不可逆性，這種不可辯駁的條件表明了一種必然性。在不受外界影響的單個(gè)系統(tǒng)中，在該系統(tǒng)內(nèi)，所有熱力學(xué)事件從高度有序的位置開始增加，而處于較高風(fēng)險(xiǎn)擾動(dòng)的可能性較低，即形成了單個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中所有正在進(jìn)行的過程始終從混亂程度低的有序狀態(tài)運(yùn)行到混亂程度高的不兼容狀態(tài)。同時(shí)，它也告訴我們，熱能從物體A轉(zhuǎn)換到物體B時(shí)，“有用功”能量將丟失，這稱為熵。通常，熵基本上不會(huì)改變，但是當(dāng)以不可否認(rèn)的方式變化時(shí)，熱系統(tǒng)內(nèi)會(huì)不斷發(fā)生變化。熱力學(xué)第二定律主要定義了高度混亂的熱量功能。它還從根本上消除了慢性運(yùn)動(dòng)的理論，并揭示了化學(xué)物質(zhì)和時(shí)空中所含化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。1熱力學(xué)第二定律1.1熱力學(xué)第二定律的表述熱力學(xué)第二定律是描述宏觀過程進(jìn)行方向的定律。根據(jù)實(shí)際觀測經(jīng)驗(yàn)和大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)，人們總結(jié)出一條規(guī)律，即一切與熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)的宏觀過程都是不可逆的。這就是熱力學(xué)第二定律。這里所說的可逆過程，是指可以完全逆轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生其他影響的過程。例如氣體絕熱（與外界沒有傳熱形式的能量交換）自由膨脹等過程都是不可逆的。正如我們所了解的，所有不可逆過程原理都是一樣的。因此，熱力學(xué)第二定律的表達(dá)方法和不可逆過程的表達(dá)方法是可以等效替代的，常見的說法有，克勞修斯說法和開爾文說法，這兩種說法所站的角度是不同的，側(cè)重點(diǎn)也是不同的，前者強(qiáng)調(diào)在“不引起其他變化”的前提之下，溫度從低溫物體A轉(zhuǎn)移到溫度高一點(diǎn)的物體B，這樣的過程在實(shí)際中是不可能發(fā)生的；后者則強(qiáng)調(diào)，在“不引起其他變化”的前提之下，從物體A中吸取熱量，將熱量全部變成有用功，這樣的操作過程在實(shí)際中也是不可能發(fā)生的。兩者的側(cè)重點(diǎn)與看待問題的角度不同，但所闡明的觀點(diǎn)是一致的REF_Ref17577\r\h[1]。1.2熱力學(xué)第二定律的不可逆性熱力學(xué)第二定律的開爾文表述就是說功轉(zhuǎn)化為熱的過程是不可逆的，在前面我們已經(jīng)提到過，開爾文闡述了功和熱這兩者之間的交替轉(zhuǎn)換是有一定方向的，且方向不可逆轉(zhuǎn)，與此相對應(yīng)的是，克勞修斯的觀點(diǎn)說明了熱量在兩個(gè)物體之間的傳導(dǎo)也是具有方向的，且方向不可逆轉(zhuǎn)?？耸吓c開氏兩種表述都站在不同的立場上各自指明了一個(gè)典型的過程，且這兩個(gè)過程都是不可逆過程，這兩種過程又從不同的角度說明了，使已經(jīng)發(fā)生了的，且產(chǎn)生了一定效果的過程恢復(fù)到初始狀態(tài)，還不能通過外界的幫助，這無論如何都是難以實(shí)現(xiàn)的REF_Ref17733\r\h[2]。（a）（b）圖1-2-1A和B兩種氣體抽去擋板而逐漸融合的過程上述所闡明的觀點(diǎn)可以舉例來進(jìn)行深度的說明，例如兩種氣體的擴(kuò)散過程，如圖1-2-1所示，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們給出兩種氣體，分別稱為氣體和氣體，需要注意的是，兩種氣體都是理想氣體，這樣才可以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們給這兩種氣體施加同樣的溫度，同樣的壓強(qiáng)，在將阻隔兩種氣體兩種氣體的擋板撤掉，那么顯而易見的是，兩種氣體會(huì)逐漸擴(kuò)散，直至互相融合，那么我們現(xiàn)在可以思考一下，用什么樣的方法可以使得已經(jīng)發(fā)生融合的兩種氣體恢復(fù)原狀而不引起其他變化呢？（a） （b） （c） （d）圖1-2-2A和B兩種氣體在外界施加溫度的情況下透過半透膜而恢復(fù)原狀的過程由熱力學(xué)第二定律推斷這是不可能的我們?nèi)杂梅醋C法，設(shè)有一種辦法使兩種理想氣體A和B發(fā)生的混合進(jìn)行了逆轉(zhuǎn)，如圖1-2-2（a）（b）所示，我們用半透膜α和β做成兩個(gè)活塞裝置，所謂半透膜就是只能使一種氣體自由通過，而不允許另一種氣體透過的膜，如圖1-2-2（c）所示。半透膜活塞α只允許氣體A自由通過，半透膜活塞β只允許氣體B自由通過，在1-2-2（c）中，當(dāng)氣體A通過半透膜活塞α后，體積膨脹推動(dòng)活塞β（氣體A是不能自由通過它的）對外做功，直到氣體A的體積膨脹到整個(gè)容器的體積V為止，與此類似，氣體B通過半透膜活塞β而推動(dòng)活塞α對外做功。我們可以假設(shè)一下，氣體分子通過實(shí)驗(yàn)所給出的半透膜而擴(kuò)散到另一邊的氣體之中的過程是在等溫的條件下進(jìn)行的，既然是等溫，而氣體又不能自發(fā)的生熱，那么必然需要外界對系統(tǒng)提供熱量，而氣體再利用外部世界所提供的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)氣體對外做功。由此看來，氣體經(jīng)歷了圖中（a）（b）兩個(gè)過程后，兩種理想氣體就回到了初始狀態(tài)，在這個(gè)過程之中，發(fā)生的與外部世界有關(guān)的是理想氣體從外部世界所提供的熱源吸取了熱量，并把吸取的熱量變成了功，但眾所周知，這與開式表述并不相符，所以這樣的過程是不可能實(shí)現(xiàn)的REF_Ref10975\r\h[3]。綜上所述，我們可以知道，學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第二定律，在許多實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中就避免了失誤，在知道了理論的前提下，讓實(shí)驗(yàn)人員少走了許多彎路，讓我們知道了第一類永動(dòng)機(jī)、第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的，推動(dòng)了科技的進(jìn)步，為科學(xué)事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述熱力學(xué)第二定律向人們指出了實(shí)際宏觀過程進(jìn)行的條件和方向，為了便于描述過程進(jìn)行的方向，人們引進(jìn)態(tài)函數(shù)—熵,通常用字母S代表,它的定義是:對于任何微小的熱力學(xué)可逆過程,熵的增量為: （2.1）式中為物體從外界吸收的熱量,為外界的溫度REF_Ref10975\r\h[3]。運(yùn)用熵的概念，可以寫出熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述；對于孤立系： dS≥0 （2.2）式中大于號對應(yīng)不可逆過程，等號對應(yīng)可逆過程，該式給出熵增加原理：孤立系經(jīng)歷任意微小過程，其熵不減。換句話說，孤立系的自發(fā)變化只能沿熵增加的方向進(jìn)行，直至系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)而熵不在變化?？紤]只通過改變體積做功的簡單均勻系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程，綜合熱力學(xué)第一、第二動(dòng)律，我們有： TdS=dE+pdV （2.3）如果體積不變，上式可演化為： 1T=這就是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述?？紤]熵的微分，這相當(dāng)于求lnWd=βdE+γdV+αdN式中的N，V，E均為統(tǒng)計(jì)平均值，為了書寫方便，這里省去了表示統(tǒng)計(jì)平均值的記號，將玻爾茲曼關(guān)系式S=kln dS=kβdE+kγdV+kαdN （2.5）于是有： ?S?EN，V=kβ，將β=1 dE=TdS?kTγdV?kTαdN （2.6）kTγ具有壓強(qiáng)的量綱，可以理解為系統(tǒng)的壓強(qiáng)，用式（2.5）可將其記作： p=kTγ=T?S?V?kTα具有能量的量綱，理解為化學(xué)式，記作： μ=?kTα=?T?S?N根據(jù)這組定義，對于能量、體積、粒子數(shù)可變的兩個(gè)平衡的物體系來說熱動(dòng)平衡條件式β1=β2， T1=T2，p以上條件分別稱為熱平衡、力學(xué)平衡、相變平衡條件。利用上述定義后，式（2.6）可寫為： dE=TdS?pdV+μdN （2.10）這就是熱力學(xué)第二定律基本微分方程式REF_Ref17919\r\h[4]。3熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用3.1熱力學(xué)第二定律在理解時(shí)間上的應(yīng)用眾所周知，熱力學(xué)第一定律表明了能量的轉(zhuǎn)化是守恒的，又因?yàn)闀r(shí)間的流逝也是均勻的，所以，時(shí)間的流逝是符合熱力學(xué)第一定律的；熱力學(xué)第二定律表明了一切事物的發(fā)展都是具有方向性的，而古語有云：“歲月隨云走，匆匆不回頭”，這句話也說明了時(shí)間的流逝是具有方向性且不可逆的，所以時(shí)間的流逝是既符合熱力學(xué)第一定律又符合熱力學(xué)第二定律的。3.2熱力學(xué)第二定律在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用熱力學(xué)第二定律告訴我們，一切自發(fā)過程都是不可逆過程。在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)的過程都是具有不可逆轉(zhuǎn)的方向的，兩個(gè)熵的大小只有在理想轉(zhuǎn)移的過程中才發(fā)生變化。即有dS+dS0≥0，化學(xué)反應(yīng)中也包含著熱力學(xué)第二定律，例如，熱力學(xué)第二定律不僅可以用來判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向，還可以用來確定化學(xué)平衡所需的條件是否滿足REF_Ref13408\r\h[5]。3.3熱力學(xué)第二定律在能源利用中的應(yīng)用從熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式中可以看出，對于一個(gè)孤立的系統(tǒng)來說，因?yàn)橄到y(tǒng)“孤立”，與外界并無任何聯(lián)系，所以有dS>0，這就是熵增原理。單個(gè)系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)中的每個(gè)非循環(huán)過程都旨在增加熵，最終達(dá)到熵函數(shù)最大值，此外系統(tǒng)從非平衡態(tài)到平衡態(tài)的自發(fā)運(yùn)動(dòng)過程就是一個(gè)熵增加的過程的前提是系統(tǒng)要在一個(gè)孤立或絕熱的條件下。系統(tǒng)的平衡狀態(tài)是指系統(tǒng)與外部條件建立平衡關(guān)系，即最大熵，例如從熱力學(xué)第二定律的角度來看待資源的燃燒，結(jié)果就是熵的增加，世界儲存的能量逐漸衰退，于是就有了能源危機(jī)。由熱力學(xué)第二定律可知，我們需要做的是合理使用能量，提高能量的利用效率，合理開發(fā)和利用新能源REF_Ref13408\r\h[5]。3.4熱力學(xué)第二定律在宇宙探索中的應(yīng)用霍金曾提出過，隨著時(shí)間的變化，黑洞的面積只會(huì)增加，不會(huì)減少，由此可以聯(lián)想到熱力學(xué)公式δS≥0，但并沒有找到可以作為支撐的理論，不久以后，又有物理學(xué)家基于熱力學(xué)第二定律的研究而得出另一個(gè)有關(guān)黑洞的公式：T=hC38πkGM，在這之后，其他科學(xué)家們也以此為基礎(chǔ)，有了更多的探索和發(fā)現(xiàn)，由此可見，熱力學(xué)第二定律在宇宙探索中也具有重要的應(yīng)用REF_Ref13545\r\h[6]。4總結(jié)通過以上的分析，我們理解了熱力學(xué)第二定律的兩種表述，了解到其解決了熱力學(xué)第一定律無法解決的方向問題，并通過學(xué)習(xí)克氏表述和開氏表述知道了熱力學(xué)第二定律的不可逆性。根據(jù)克氏等式和不等式給出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述以及熱力學(xué)第二定律的微分方程式，知道了它們在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中的廣泛應(yīng)用。在生活中，自發(fā)過程的種類也有很多，例如對時(shí)間流逝的理解、化學(xué)反應(yīng)、能源利用、黑洞輻射等方面也具有十分重要的應(yīng)用。最后，學(xué)以致用是學(xué)習(xí)知識的最高境界，我們學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律是為了將其應(yīng)用于實(shí)際，優(yōu)化和便捷我們的生活，保護(hù)以及合理利用生態(tài)能源，為自然和科學(xué)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)宋金璠,閆榮義.關(guān)于熱