热力学第二定律

热力学第二定律
摘要
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。

热力学第二定律有两种经典表述，二者表述具有等效性。

热力学第二定律揭示了实际宏观过程的不可逆性。

热力学第二定律在科学发展上具有很多的意义，也揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性.
关键词
热力学第二定律,卡诺循环，意义，不可逆，历史发展
引言
本论文主要是以大一学年，热学课程为背景选材。

热力学第二定律是有关热和功等能量形式相互转化的方向与限度的规律，进而推广到有关物质的变化过程的方向与限度的普遍规律.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。

本论文主要是对热力学第二定律的初步理解与分析.
一、热力学第二定律的两种经典表述
1。

开尔文-普朗克表述：
不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。

解释：
1）这里强调的是“不留下其他任何变化”,是指对热机内部、外界环境及其他所有(一切)物体都没有任何变化.
开尔文－普朗特说法说明了热转化为功,必须要将一部分热量转给低
温物体(注意,这可是一个自发过程，高温向低温传热哦），也即必须
要有一个“补偿过程”为代价
2）热全部转化为功，是可以的,但必须要“留下其他变化”。

如等温过程中,热可以全部转变成功，但这时热机内部工质的“状态"变了（即工质不
能回到初始状态，其实，这样的热机实际上是不存在的）,是留下了变
化的.
2。

克劳修斯表述：
不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生任何其他影响。

解释：
1)这里需要强调的是“自发地、不付代价地”。

我们通过热泵装置是可以
实现“将热从低温物体传向高温物体的”，但这里是付出代价的，即以
驱动热泵消耗功为代价,是“人为"的，是“强制”的，不是“自发”的。

所以,非自发过程，如热从低温物体传向高温物体，必须同时要有一个
自发过程为代价（这里是机械能转化为热能）为补偿，这个过程叫“补
偿过程”。

2)非自发过程（如热从低温物体传向高温物体）能否进行，还要看花的“代
价"是否够,就是总系统（孤立系）的熵必须是增加的，或可逆下总熵不
变。

也就是说,如果投入的“代价”不够的话，非自发过程是不能进行
的,或是进行得不够彻底（不能达到预计的状态）。

孤立系总熵变不小于
零，非自发过程才有可能进行。

3。

两种表述的关系两种等效性的证明：
应用反证法。

假设开尔文（以下简称开氏）说法成立，而克劳修斯(以下简称克氏）不成立（即热量可以自发地从低温物体传向高温物体而不留下其他变化）。

1）按照开氏说法,一热机有两个热源工作在温度为T1、T2两个热源之间，
并从高温热源T1吸热Q1,对外做功W并向冷源T2放热Q2,显然
Q1=W+Q2。

2）若克氏说法不成立，即可从低温热源T2自发向高温热源T1传热，并假定传热量为Q2。

3）现在，将上述二者合在一起,形成一个新的热机，并考察综合效果，得出的结论是：新热机从单一热源T1吸收热量(Q1-Q2)，并对外做功W，外
界与新热机均无变化。

这显然违背了开氏说法。

所以，若克氏说法不成
立，必然导致开氏说法也不成立。

同理也可以证明，若克氏说法成立，
而开氏说法不成立，同样也导致克氏说法也不成立。

由此可知，如果假定某一说法不成立就必然导致另一说法也不成立,但这违背了假设条件:开氏说法成立而克氏说法不成立的假设。

因此,开氏说法成立，克氏说法也成立，二者等效。

二、卡诺循环
卡诺循环（Carnot cycle）是一个特别的热力学循环，使用在一个假想的卡诺热机上，由法国人尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出，克拉珀龙于1830年代至1840年代扩充，是为了找出热机的最大的工作效率而分析热机的工作过程.
卡诺循环全由可逆过程组成，其中包括：
图一A→B、图二1→2,可逆等温膨胀:此等温的过程中系统从高温热库吸收了热量且全部拿去作功.
图一B→C、图二2→3，等熵（可逆绝热)膨胀：移开热库，系统对环境做功,其能量来自于本身的内能。

图一C→D、图二3→4，可逆等温压缩:此等温的过程中系统向低温热库放出了热量。

同时环境对系统做正功。

图一D→A、图二4→1,等熵(可逆绝热)压缩：移开低温热库,此绝热的过程系统对环境作负功，系统在此过程后回到原来的状态.
卡诺热机的热效率只取决于第一个状态的温度T1与第二个状态的温度T2，以及从环境中吸收的热量Q1和放出的热量Q2，
其热效率η=
因存在于现实中的热机都是以不可逆循环来工作，现实中相同状态下没有任何热机的效率可以达到以皆由可逆过程组成的
可逆循环来工作的卡诺热机的效率。

根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中，以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。

卡诺循环具有极为重要的理论和实际意义.虽然，完全按照卡诺循环工作的装置是难以实现的，但是卡诺循环却为提高各种循环热效率指明了方向和给出了极限值.
因存在于现实中的热机都是以不可逆循环来工作，现实中相同状态下没有任何热机的效率可以达到以皆由可逆过程组成的可逆循环来工作的卡诺热机的效率。

根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理.卡诺循环具有极为重要的理论和实际意义。

虽然，完全按照卡诺循环工作的装置是难以实现的,但是卡诺循环却为提高各种循环热效率指明了方向和给出了极限值。

三、热力学中的不可逆性
在热力学领域中，不可逆过程是相对可逆过程而言的，指的是在时间反演变换下只能单向进行的热力学过程，这种热力学过程所具有的性质被称作不可逆性。

从热力学角度而言，自然界中所有复杂的热力学过程都具有宏观上的不可逆性。

宏观上不可逆性现象产生的原因在于，当一个热力学系统复杂到足够的程度，组成其系统的分子之间的相互作用使系统在不同的热力学态之间演化；而由于大量分子运动的高度随机性,分子和原子的组成
结构和排列的变化方式是非常难于预测的。

热力学状态的演化过程需要分子之间彼此做功，在做功的过程中也伴随有能量转换以及由分子间摩擦和碰撞引起的一定热量的流失和耗散，这些能量损失是不可复原的。

克劳修斯熵与不可逆性
十九世纪五十年代德国物理学家鲁道夫·克劳修斯通过引入他的熵概念,首次在数学上量化解释了热力学过程的不可逆性。

克劳修斯从热机的效率出发，认识到正转变（功转变成热量）可以自发进行，而负转变（热量转变成功）作为正转变的逆过程却不能自发进行。

负转变的发生需要同时有一个正转变伴随发生,并且正转变的能量要大于负转变,这实际是意味着自然界中的正转变是无法复原的.克劳修斯在他1854年的随笔《关于热的力学理论的第二基础定理的一个修正形式》中有相关描述。

四、热力学第二定律的意义
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.
微观意义
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。

参考文献
1.恩里科·费米.热力学。

多佛.1956年版.
2。

赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程：热学。

高等教育出版社。

1992年版.
3.黄淑清，聂宜如，申先甲.热学教程（第二版）.高等教育出版社.1994年版。

4.郭奕玲,沈慧君。

清华大学出版社《物理学史》.2000年版。

5.龚昌德。

《热力学与统计物理学》.高等教育出版社.1984年版。