浅论热力学第二定律的发展与应用

热工学课程论文

题目浅论热力学第二定律的发展与应用学院工程技术学院

专业机械设计制造及其自动化

年级 2012级

学号

姓名

指导教师

成绩

2014年 12 月

目录

摘要 (3)

1 前言 (3)

2 热力学第二定律的建立及其发展 (3)

2.1 热力学第二定律建立的历史过程 (3)

2.2 热力学第二定律的实质 (4)

2.2.1可逆过程与不可逆过程 (4)

2.2.2开氏与克氏的两种表述 (4)

2.3 热力学第二定律的含义 (5)

3 热力学第二定律的应用 (5)

3.1 通过熵增原理，理解能源危机 (5)

3.2 理解时间的流逝 (6)

3.3 黑洞温度的发现 (6)

3.4 形成宇宙的耗散结构理论 (7)

4 总结 (7)

参考文献: (7)

浅论热力学第二定律的发展与应用

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西南大学工程技术学院

2012级机械设计制造及其自动化1班

摘要:热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体或者说不可能制造出只从一个热源取得热量，使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机。它是关于在有限空间和时间，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。本文综述了该定律的提出、演变历程、并介绍了它在工农业生产和生活中的应用。

关键词:热力学第二定律演变历程应用

1 前言

热力学第二定律，不仅决定了能量转移的方向问题，对信息技术，生命科学以及人文科学的发展都起到了非常重要的作用，应用极其广泛。热力学第二定律对新世纪的科学技术乃至整个社会的发展都产生重要影响。

2 热力学第二定律的建立及其发展

2.1 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，开尔文爵士根据卡诺定理，建立了热力学温标。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。

2.2 热力学第二定律的实质

2.2.1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，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。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。

2.2.2开氏与克氏的两种表述

开尔文从热功转换的角度表述了第二定律：不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为功而不产生其它影响。也就是说：自然界中任何形式的能都可以变成热，而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。德国物理学

家克劳修斯从热量传递的方向性角度，提出了热力学第二定律的另一种表述：热量可以自发地从较热物体传递至较冷物体，但不能自发地较冷物体传递至较热物体。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，只有靠消耗功来实现。

2.3 热力学第二定律的含义

热力学第二定律，热力学基本定律之一，容为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。

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。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。在孤立系统对可逆过程，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。

3 热力学第二定律的应用

3.1 通过熵增原理，理解能源危机

按热力学第二定律的数学表达式，对于与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系统，必有ds ＞0，这就是熵增原理。在孤立系统或绝热系统中进行的一切不可逆过程向熵增加的方向演化，直到熵函数达到最大为止。在孤立或绝热条件下，系统自发地由非平衡态趋向平衡态的过程，正是一种熵增的过程。平衡态对应最大熵，一定的外部条件确立系统的平衡态，最大熵也是指在一定外部条件下的最大。当人们燃烧煤、石油原子核，能量的问题并无变化，从热力学第一定律来看这一切，能量不会消失，也就不可能有能源危机。但是如果从热力