漫谈热力学第二定律物理知识点讲解

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漫谈热力学第二定律物理知识点讲解

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漫谈热力学第二定律物理知识点讲解

　　一、热力学第二定律建立的历史过程

　　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。

　　二、热力学第二定律的实质

　　1.可逆过程与不可逆过程

　　一个热力学系统，从某一状态出发，经过某一过程达到另一状态。若存在另一过程，能使系统与外界完全复原(即系统回到原来的状态，同时消除了原来过程对外界的一切影响)，则原来的过程称为可逆过程。反之，如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原，则称之为不可逆过程。

　　可逆过程是一种理想化的抽象，严格来讲现实中并不存在(但它在理论上、计算上有着重要意义)。大量事实告诉我们：与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程。

　　2.对于开氏与克氏的两种表述的分析

　　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。

　　请注意加着重号的语句：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。

　　3.不可逆过程的几个典型例子

　　例1(理想气体向真空自由膨胀) 如图1所示，容器被中间的隔板分为体积相等的两部分：A部分盛有理想气体，B部分为真空。现抽掉隔板，则气体就会自由膨胀而充满整个容器。

　　例2(两种理想气体的扩散混合) 如图2所示，两种理想气体C和D被隔板隔开，具有相同的温度和压强。当中间的隔板抽去后，两种气体发生扩散而混合。

　　例3 焦耳的热功当量实验。

　　这是一个不可逆过程。在实验中，重物下降带动叶片转动而对水做功，使水的内能增加。但是，我们不可能造出这样一个机器：在其循环动作中把一重物升高而同时使水冷却而不引起外界变化。由此即可得热力学第二定律的普朗克表述。

　　再如焦耳-汤姆生(开尔文)多孔塞实验中的节流过程和各种爆炸过程等都是不可逆过程。

　　4.热力学第二定律的实质

　　对上面所列举的不可逆过程以及自然界中其他不可逆过程，我们完全能够由某一过程的不可逆性证明出另一过程的不可逆性，即自然界中的各种不可逆过程都是互相关联的。我们可以选取任一个不可逆过程作为表述热力学第二定律的基础。因此，热力学第二定律就可以有多种不同的表达方式。

　　但不论具体的表达方式如何，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。

　　三、热力学第二定律的统计意义

　　热现象是与大量分子无规则热运动相联系的。我们以上述不可逆过程(如例1中理想气体的真空自由膨胀)为例，来简单说明热力学第二定律的统计意义。

　　如图1所示，拉开隔板后，A部分的理想气体将进入B(原为真空)中，从而充满A、B整个空间。这个过程是不可逆的，我们从没有见过这种现象：气体自动地由整个容器收缩到A部分，而使B部分成为真空。这是为什么呢?

　　设容器中有1个分子，它退回到A部分的几率为1/2;设容器中有2个分子，它们全部退回到A部分的几率为1/22=1/4;设容器中有3个分子，它们全部退回A部分的几率为1/23=1/8;设容器中有1mol某种理想气体(约6.021023个分子)。打一个有

　　趣的比喻：假若从动物园中逃出一只黑猩猩，溜进了计算机室，用爪子在键盘上乱按。而将打印出的纸张按顺序装订，恰巧是一部数百万字的巨著大英百科全书。上述几率比这个笑话的几率还要小得不可比拟。

　　通过对上述简单例子的分析，事实上是有一般意义的，即热力学第二定律的统计意义是：一个不受外界影响的孤立系统，其内部发生的过程，总是由几率小的状态向几率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。

　　四、热力学第二定律的适用范围

　　(1)热力学第二定律是宏观规律，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。这就会为上帝创造世界等唯心主义提供了所谓科学依据。

　　热寂说的荒谬，在于把无限的、开放的宇宙当做热力学中所说的孤立系统。热力学中的孤立系统与无所不包、完全没有外界存在的整个宇宙是根本不同的。事实上，科学后来的发展已经提供了许多事实，证明宇宙演变的过程不遵守热力学第二定律。正如恩格斯在《自然辩证法》中指出了热寂说的谬误。他根据物质运动不灭的原理，深刻地指出：放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径指明这一途径，将是以后自然科学的课题转变为另一运动形式，在这种运动形式中，它能重新集结和活动起来。热力学第二定律和热力学第一定律一样，是实践经验的总结，它的正确性是由它的一切推论都为实践所证实而得到肯定的。

　　热力学第二定律的应用：

　　热力学第二定律表明自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。不可逆过程指的是系统经历一个过程后，需要借助外界的帮助才能（即不能自发的）重新回到原来状态从而给外界留下痕迹，这样的过程称为不可逆过程。自然界中关于不可逆的过程有许多，例如，水往低处流，但水不能自发的从低处往高处流，必须借助帮助例如抽水机，但却消耗了电能，给外界留下了痕迹，说明水的流动具有方向性。又例如热量从高温向低温传递，但热量不能自发从低温向高温传递，必须借助外界的帮助从而给外界留下痕迹。再例如物体在粗糙平面上滑行最终静止，动能转化为内能，接触面温度升高，但此时内能不可能自发的转化为机械能，使得接触面温度降低，物体的动能变大，系统回到原来的状态。当然，借助外界的帮助可以实现这个过程，但要引起外界的变化。种种现象表明，自然界有许多的宏观过程具有方向性。

　　对于热力学第二定律，学生总是有这样以下误解，有必要进行澄清和巩固理解。

　　首先认为宏观过程的方向性指的是系统可以从一个状态向另一个状态转变，但不能从该状态回到原来状态，对热力学第二定律成立的条件理解不够。例如，认为热量可以从高温向低温传递，但不能从低温向高温传递，实际上，该过程是可以实现的，只不过不是自发的，而是借助外界的帮助才能实现，这才是热力学第二定律要告诉我们的信息。在这里，以冰箱的工作原理为例子来帮助学生理解。冰箱是通过消耗电能，压缩工作物质，通过工作物质把热量从低温传向高温，在这里展现了低温向高温传递热量过程的可实现性，但条件是什么，是消耗了电能，给外界造成影响，因而这一过程不是自发的，是不可持续的。

　　其次要强调的是热力学第二定律与第一定律的关系。从一个过程到另一个过程尽管不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。例如第二类永动机，它从单一热源吸收热量完全转变为功，不引起其他变化。如果能实现，则可造这样的一台机器，直接从海水中吸收热量用来全部做功，解决能源的短缺问题。在这个过程中，吸收的热量转变成了功，是遵守热力学第一定律的，但该过程要引起外界的变化，是不可持续的。这样，进一步巩固了宏观过程的方向性问题。

　　再次要指出的是热力学第二定律表述的普遍性，因为具有方向性的宏观过程是普遍存在的，因此，可以针对每一现象对热力学第二定律进行表述，例如可以表述成第二类永动机不可制成，不可能使墨水在水中扩散后完全恢复而不引起外界的任何变化，不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化，不可能使燃烧后的纸完全恢复而不引起其他变化……这样，就进一步表明了自然界中具有方向性的宏观过程是普遍存在的，加深了热力学第二定律的理解和应用。

　　最后，由于热力学第二定律描述的是物理过程的因果转化关系，具有一定的推理性，比较抽象，学生理解有误差乃至不能应用是很自然的，教师应从多个角度剖析，校正理解的偏差，巩固理解，加强应用，方能达到教学的目标。

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