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1、热力学第二定律的发展及应用摘要：热力学第二定律，是指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。多种说法意在说明不可逆性。并且热力学第二定律的提出为人们探索热学问 题提供了条件与理论基础。关键词：热学发展应用引言：热力学第二定律是人们在生活实践，生产实践和科学实验的经验总结，他们既不涉及 物质的微观结构，也不能用数学家易推倒和证明，但它的正确性已被无数次的实验结果所证 实。而且，从热力学严格的推导出的结论都是非常精确和可靠的。有关该定律额发现和演变 历程是本文讨论的重点。热力学第二定律是
2、有关热和功等能量形式相互转化的方向和限度的 规律，进而推广到有关物质变化过程的方向与限度的普遍规律。首先，让我们了解一下相关此定律诞生的物理学史。19世纪初，巴本、纽可门等发明 的蒸汽机经过许多人特别是瓦特的重大改进，已广泛应用于工厂、矿山、交通运输，但当时 人们对蒸汽机的理论研究还是非常缺乏的。热力学第二定律就是在研究如何提高热机效率问 题的推动下，逐步被发现的，并用于解决与热现象有关的过程进行方向的问题。1824年， 法国陆军工程师卡诺在他发表的论文“论火的动力”中提出了著名的“卡诺定理”，找到了提 高热机效率的根本途径。但卡诺在当时是采用“热质说”的错误观点来研究问题的。从1840 年到
3、1847年间，在迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的努力下，热力学第一定律以及更普遍的 能量守恒定律建立起来了。“热动说”的正确观点也普遍为人们所接受。1848年，开尔文 爵士（威廉汤姆生）根据卡诺定理，建立了热力学温标（绝对温标）。它完全不依赖于任何特 殊物质的物理特性，从理论上解决了各种经验温标不相一致的缺点。这些为热力学第二定 律的建立准备了条件。1850年，克劳修斯从“热动说”出发重新审查了卡诺的工作，考虑到热传导总是自发地 将热量从高温物体传给低温物体这一事实，得出了热力学第二定律的初次表述。后来历 经多次简练和修改，逐渐演变为现行物理教科书中公认的“克劳修斯表述”。与此同时， 开尔文也独立地
4、从卡诺的工作中得出了热力学第二定律的另一种表述，后来演变为更精炼 的现行物理教科书中公认的“开尔文表述”。上述对热力学第二定律的两种表述是等价的， 由一种表述的正确性完全可以推导出另一种表述的正确性。他们都是指明了自然界宏观过 程的方向性，或不可逆性。克劳修斯的说法是从热传递方向上说的，即热量只能自发地 从高温物体传向低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。这里“不 引起其他变化”是很重要的。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界 必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热，即机械能完全转 化为内能可以的，在水平地面上运动的木块由于摩擦生热
5、而最终停不来就是一个例子。但 反过来，从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的。所谓“单 一热源”，是指温度均匀并且保持恒定的热源，如果热源的温度不是均匀的，则可以从温度 较高处吸收热量，又向温度较低处放出一部分，这就等于工作在两个热源之间了。所谓“不 产生其他影响”，是指除了从单一热源吸热，这些热量全部用来做功以外，其他都没有变 化。如果没有“不 产生其他影响”这个限制，从单一热源吸热而全部转化为功是可以做到 的，例如理想气体在等温膨胀过程中，气体从热源吸热而膨胀做功，由于这过程中理想气体 保持温度不变，而理想气体又不考虑分子势能，因此气体的内能保持不变，从热源吸收的
6、热量就全部转化成了功，但是这过程中气体的体积膨胀了，因此不符合“不产生其他影响” 的条件。由此，热力学第二定律建立。也恰恰是因为此定律的建立，将人们的第二类永动机 之梦击碎，使得热学向着正确的方向发展。在我们所学的课本中，热力学第二定律有两个表述。1.开尔文表述（1851年）：不可能 制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影 响。2.克劳休斯表述：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。其实这2种表述是等价 的，而这两种表述的区别在于克氏表述指出：热传导过程是不可逆的。开氏表述指出：功变 热（确切地说，是机械能转化为内能）的过程是不可逆的。两种表述其实质
7、就是分别挑选了 一种典型的不可逆过程，指出它所产生的效果不论用什么方法也不可能使系统完全恢复原 状，而不引起其他变化。比如，制冷机（如电冰箱）可以将热量Q由低温T2处（冰箱内）向 高温T1处（冰箱外的外界）传递，但此时外界对制冷机做了电功W而引起了变化，并且 高温物体也多吸收了热量Q（这是电能转化而来的）。这与克氏表述并不矛盾。热力学第二 定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，并指出这些过程自 发进行的方向。热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数一一熵。可以用熵来对第二 定律作定量的表述。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
8、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。热力学第二定律的适用范围（1）热力学第二定
9、律是宏观规律，对少量分子组成的微观系 统是不适用的。（2）热力学第二定律适用于“绝热系统”或“孤立系统”，对于生命体（开放系 统）是不适用的。早在1851年开尔文在叙述热力学第二定律时，就曾特别指明动物体并不 像一架热机一样工作，热力学第二定律只适用于无生命物质。（3）热力学第二定律是建筑在 有限的空间和时间所观察到的现象上，不能被外推应用于整个宇宙。19世纪后半期，有些 科学家错误地把热力学第二定律应用到无限的、开放的宇宙，提出了所谓“热寂说”。他们 声称：将来总有一天，全宇宙都是要达到热平衡，一切变化都将停止，从而宇宙也将死亡。 要使宇宙从平衡状态重新活动起来，只有靠外力的推动才行。这就会
10、为“上帝创造世界”等 唯心主义提供了所谓“科学依据”。当然，这些只是些题外话。热力学第二定律在日常生活中 也有很多的应用，比如电冰箱，空调等热机，又比如磁悬浮列车，超导等都用到了热力学第 二定律的知识。总结：热力学第二定律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。它对于人类改进蒸汽机、内燃机和开发利用能源具有重要的指导意 义。当然，对于热力学在生活中的应用，也许普通生活中并不容易引起注意，但生活中恰恰 处处存在着热力学第二定律应用的身影，只要善于去观察发现，就能感受到它的魅力所在。参考文献：改变世界的物理学倪光炯复旦大学出版社1999年版；物理学史郭奕玲、沈慧君著清华大学出版社2000年版热学常树人南开大学出版社2009.12
