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1、热力学第二定律摘要：继热力学第一定律之后克劳修斯和开尔文提出了热力学第二定律，本文介绍了热力学第二定律的 定义及热力学第二定律使用的条件，除此之外还介绍了它的单方性的性质，为了加深读者对热力学第二律 的理解，本文列举了热力学第二定律的部分应用仅供读者参考。关键词：热力学第二定律；克劳修斯；开尔文；单方向性作者简介：0引言：热力学第一定律指出各种形式的能量在相互转化的过程中必须满足能量守恒 定律，对过程行进的方向并没有给出任何限制。但是实际发生的过程中如果涉及 热量或内能与其形式能量的转化。则所有过程都是具有单方向性。更普遍的说， 凡是涉及热现象的实际过程的方向问题。它是独立于热力学第一定律的另
2、一个定 律。卡诺提出了卡诺定理，但是卡诺对热机工作过程的认识是不正确的，他认为 热机是通过把从高温热源传到热源做功的，工作物质从高温热源吸取热量与在低 温热源放出的热量相等，犹如水利及做功是通过水从高处流向低处，在高处和低 处流过的水量是一样的。在热力学第一定律被发现以后克劳修斯和开尔文分别审 了卡诺的工作，指出要证明卡诺定理要有一个新的原理，从而发现了热力学第二 律。1热力学第二定律简介1.1热力学第二定律定义不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源 取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量 总是大于零。克氏表述：在与外界没有物质和能量
3、交换的封闭系统（如热 水瓶）中。开氏表述：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生 其他任何影响（这是从能量消耗的角度说的，它说明第二类永动机是不可能实 现的）。热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只能由热处转 到冷处（在自然状态下）。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关 的物理化学过程具有不可逆性的经验总结1上述中的内容是克劳修斯在1850年提出的。的讲法是开尔文于1851 年提出的。这些表述都是等效的。在的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转 移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个 转变过程是不可逆的。要使热传递方向
4、倒转过来，只有靠消耗功来实现。在的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反 过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明 了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变为机械功， 一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能 量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊 方式利用能量的可能性。首先，人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而 不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机是第二类永动机它并不违反热 力学第一定律，但却违反热力学第二定律。有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海
5、水，以海水作单一热源若把海水的温度哪怕只降低O.25度,放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。但只用海洋 做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百 分之百的热机是绝对不可能的。其次，从分子运动论的观点看，作功是大量分子的有规则运动，而热运 动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极 小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系 统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，从此可见 热是不可能自发地变成功的。热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内 的宏观过程。而不适用于
6、少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。1.根据热力学第零定律，确定了态函数温度；2根据热力学第一定律，确定了态函数内能和焓；根据热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数熵。可以用熵来对第二定律作定量的表 述22热力学第二定律过程第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆 过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们 就用态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明：可逆绝热过程中Sf=Si，不可逆绝热过程SfSi，式中Sf和Si分别为系统的最终和最初的熵。也就是说，在孤立系统内对
7、可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过 程，系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定 律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变， 也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵 体现了系统的统计性质。3热力学第二定律条件及单方向性3.1热力学第二定律条件热力学第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：该系统是线性 的；该系统全部是各向同性的。另外有部分推论很有意思：比如热辐射： 恒温黑体腔内任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性 质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。3.2热力学第二定律单方向性
8、所有不涉及热现象的物理规律均时间反演对称，它们没有对时间的方向 作出规定所谓时间反演，通俗地讲就是时光倒流；而物理定律时间反演 对称则指，经过时间反演后，该定律依然成立5。以牛顿定律为例，它是时间反演对称的。不妨考察自由落体运动：一物 体由静止开始，在重力作用下自由下落，其初速度V(0)=0,加速度a=g，设 其末速度为V(t),下落高度为h.现进行时间反演，则自由落体运动物体有 其初速度 V，V (0)=-V( t),加速度a =g，末速度V，(t )=V(0),上升高度 为h,易证这依然满足牛顿定律。但热现象则不同，一杯水初始温度等于室温，为T(0),放在点燃酒精灯上， 从酒精灯火焰吸收热
9、量Q后温度为T(t).现进行时间反演，则是水的初温为 T (0)=T(t),放在点燃酒精灯上，放出热量Q给酒精灯火焰，自身温度降 为T (t显然这违背了热力学第二定律关于热量只能从高温物体传向低温物体的陈述故热力学第二定律禁止时间反演在第一个例子中， 如果考虑到空气阻力，时间反演后也会与理论相悖，原因在于空气阻力做 功产生了热。热力学第二定律体现了客观世界时间的单方向性，这也正是热学。热力学第二定律是热力学定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处61824年法国工程师萨迪卡诺提出了卡诺定理，德国人克劳修斯和英国 人开尔文在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理 必须依据一个
10、新理，即热力学第二定律。他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述在理念上是相通的。4热力学第二定律的应用4.1理论逻辑部分4.1.1两杯水里的热力学热力学第二定理有许多表述，根据我的学习体会，描述为;孤立体系的热运动总 是向着熵增的方向发展,并达到熵极大（稳定的平衡态）。热力学第二定理包含有两个内容：1）时间之箭的方向；2）时间之箭的目标；热力学第二定理对研究对象有个限制:孤立体系。下面的一个孤立体系，但是， 热力学第二定理在运用上却存在问题:如桌面上有两杯水A B,水里悬浮有大量的 电荷，外界对它们没有作用，可以把它们整体看作孤立体系，由热力学第二定理 得，
11、体系应该有一个稳定的平衡态。我们从部分看：比如A,它受到B的电作用， 不能视为孤立体系，它有没有稳定态，就很成问题。同样B也是如此。同一研究 对象，可能存在不同研究结果，只能说明理论对于这样的研究对象存在先天不足。这一体系有没有稳定态，得有物理方程确定，物理方程应该包含热和电。泊 松方程 波尔兹曼方程，求解方程是困难的，它是非线型的，从直觉上讲，有解的 可能性小。4.2普朗克熵理论的研究下面是熵和热力学几率的关系的推导，普郎克发现孤立体系的熵和热力学几 率存在单调的变化，猜测熵和热力学几率存在如下关系：5结束语热力学第二定律对人们认识客观世界起到了不可估量的作用，也证明了 第二类永动机是不可能
12、存在的，人们改造世界的同时要遵守一些客观规律， 这样会有事倍功半的效果。热力学第二定律对能源的改进会有很大的帮助， 在整个地球处于资源危机的时刻，希望同学们利用所学的知识为社会做出应 有的贡献。参考文献黄淑清聂宜如等热学教程M.高等教育出版社.1995.6 .2李椿章立源等热学M.高等教育出版社.1978.91997.12 . 吴瑞贤杜定旭等热学教程M.四川大学出版社.1986.4 赵凯华定性与半定量物理学M.高等教育出版社.1991.5 美Y.F.韦斯科夫.二十世纪物理学M.科学出版社.1979.汪志诚热力学统计物理M.高等教育出版社.1993.姓名宋红梅论文题目热力学第二定律成绩教师 评 语
