热力学第二定律

热力学第二定律

编稿：张金虎审稿：李勇康

【学习目标】

1．了解热传导过程的方向性；

2．了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成；

3．了解热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质；

4．利用热力学第二定律分析解决实际问题，作出正确判断．

5．知道什么是有序和无序，什么是宏观态和微观态；

6．知道热力学第二定律的微观解释，而一切自然过程总是沿分子热运动的无序性增大的方向进行的；

7．知道熵的概念，熵的增加原理．

8．了解什么是能源、常规能源、常规能源的储量与人类需求的矛盾；

9．了解常见能源的使用与环境污染的关系：

10．了解哪些能源是清洁能源，哪些能源是可再生能源；

11．理解能量守恒和节约能源的关系；

12．了解开发新能源的意义．

【要点梳理】

要点一、热力学第二定律

1．热传导的方向性（自然过程的方向性）

两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高．

（1）热传导具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．

（2）气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．

（3）机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．

（4）气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．

（5）在整个自然界中，无论有生命的还是无生命的．所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程．如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等．

2．热机

（1）热机：热机是把内能转化成机械能的一种装置．

如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能．（2）热机的组成部分

①热源：指燃烧燃料而获得能量的部件．

②工作物质：指利用获得的热量来做功的物质，如蒸汽机里的蒸汽，内燃机里燃烧后的高温气体．

③冷凝器：把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的部分．如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高，如果把这种蒸汽直接放入大气中，则大气就是冷凝器．当然这样就白白浪费了剩余的蒸汽所具有的能量，通常把这种工作后剩余的蒸汽通过管道送入居民区用于烧水、做饭、取暖等．（3）热机的工作原理

工作物质从热源吸收热量1Q ，推动活塞做功彤，然后排出废气，同时把热量2Q 散发到冷凝器中． 根据能量守恒有

12Q W Q =+．

（4）热机的效率

把热机做的功W 与它从热源中吸收的热量1Q 的比值叫做热机的效率，用η表示，有

1

W Q η=

． 因为 12Q W Q =+，

所以

1Q W ＞，1η＜．

这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器中．

3．第二类永动机

（1）定义

从单一热源吸热全部用来做功，而不引起其他变化．把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达100％．这种想象中的热机称为第二类永动机．

只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机．

（2）第二类永动机不可能制成

虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，大量的事实证明．在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源．很显然，如果第二类永动机能制成，那么就可以利用空气或海洋作为热源，从它们那里不断吸取热量而做功，这是最经济不过的，因为海洋的内能实际上是取之不尽的．

4．热力学第二定律

（1）两种表述

①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性来表述的．

②不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功．而不引起其他变化也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的．这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．

（2）两种表述是等效的

热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个．

（3）热力学第二定律的实质

热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．

5．热力学第一定律和热力学第二定律的区别

（1）热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系U W Q ∆=+，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化．热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表

述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性．告诫人们：第一类永动机不可能制成．热力学第一定律只有一种表述形式．

（2）热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性．如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能，而不引起其他变化，进一步揭示了各种物质过程及其运动形式的转化过程都具有方向性告诫人们：第二类永动机不可能制成．热力学第二定律有多种表述形式．

要点二、热力学第二定律的微观解释

1．有序和无序

确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序的． 特别提示：无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反，有序与无序是相对的，一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序排列，但对号码的大小不作要求，这样的排列对于完全杂乱的一副牌来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号码顺序也有要求的排列来说，就是无序的了．

2．宏观态和微观态

规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包舍一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较墨，就说这个“宏观态”是比较无序的．

我们以气体向真空的扩散为例来认识宏观态和微观态．

一个箱子被挡板分为左、右两室，左室为气体，右室为真空，撤去挡板后气体要由左向右扩散．我们从分子热运动的角度分析这个过程的方向性．为了简单，假定气体只由A B C D 、、、共4个分子组成．

如图所示，甲、乙、丙、丁是4个不同的微观态，但甲、乙属于同一个宏观态，丙、丁属于另一个宏观态．

撤去挡板后每个分子都可以处于箱中任何位置，就像队列解散后的学生一样．如果细致地区分哪个分子在哪侧，这样的一个一个的状态就是不同的微观态．例如，“A B 、在左室，C D 、在右室”与“A C 、在左室，B D 、在右室”就是两个不同的微观态．当然“A 在左室，B C D 、、在右室”也是与前两个不同的微观态．

但是，宏观的观察并不能区分图甲和乙的两个微观态，我们只能说两种情况下左右两室中分子数的多少是一样的，因此，我们说甲和乙属于同一个宏观态：而丙和丁，尽管从微观上看具体分子的位置并不一样，是不同的微观态，但它们也属于同一个宏观态，都是“左1右3”．

3．热力学第二定律的微观解释和意义

（1）热力学第二定律的微观解释

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．

与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的．

由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少．

（2）对热力学第二定律微观意义的理解

系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化．从微观看，在功转化为热的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程，但其逆过程却不能自发地进行．即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动．