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概述/定义

  英文翻译:the second law of thermodynamics

  ①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的)。

  ②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)。

说明

热力学第二定律

  ①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。

  上述(1)中①的讲法是克劳修斯(Clausius)在1850年提出的。②的讲法是开尔文于1851年提出的。这些表述都是等效的。

  在①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。要使热传递方向倒转过来,只有靠消耗功来实现。

  在②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[1],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。.

  ②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叫第二类永动机。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。

  ③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。

  ④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。而不适用于少量的微观体系,也不能把它推广到无限的宇宙。

  ⑤根据热力学第零定律,确定了态函数——温度

  根据热力学第一定律,确定了态函数——内能

  根据热力学第二定律,也可以确定一个新的态函数——。可以用熵来对第二定律作定量的表述。

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Sf=Si,

  不可逆绝热过程Sf>Si,

  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。

条件

  第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件:

  1、该系统是线性的;

  2、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。

热力学第二定律与时间的单方向性

  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.

  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, 则有其初速度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)=T(0). 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.

热力学第二定律单方性

  热力学第二定律体现了客观世界时间的单方向性, 这也正是热学的特殊性所在.

  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。

  1824年法国工程师萨迪·卡诺提出了卡诺定理,德国人克劳修斯(Rudolph Clausius)和英国人开尔文(LordKelvin)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新的定理,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。

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