热力学第二定律的演变历程及其在生活中的应用

张俊 地信一班 1009010125

摘要：热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只是由热处转到冷处（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。

关键词：热力学第二定律，演变历程，生活应用

引言：热力学第二定律是人们在生活实践，生产实践和科学实验的经验总结，他们既不涉及物质的微观结构，也不能用数学家易推倒和证明，但它的正确性已被无数次的实验结果所证实。而且，从热力学严格的推导出的结论都是非常精确和可靠的。有关该定律额发现和演变历程是本文讨论的重点。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和限度的规律，进而推广到有关物质变化过程的方向与限度的普遍规律。

1.热力学第二定律的建立

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。 他们都是指明了自然界宏观过程的方向性， 或不可逆性。 克劳修斯的说法是从热传递方向上说的， 即热量只能自发地从高温物体传向低温 物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。这里“不引起其他 变化”是很重要的。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外 界必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热，即机 械能完全转化为内能可以的， 在水平地面上运动的木块由于摩擦生热而最终停不 来就是一个例子。但反过来，从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其 他影响则是不可能的。所谓“单一热源”，是指温度均匀并且保持恒定的热源， 如果热源的温度不是均匀的，则可以从温度较高处吸收热量，又向温度较低处放 出一部分，这就等于工作在两个热源之间了。所谓“不产生其他影响”，是指除 了从单一热源吸热， 这些热量全部用来做功以外， 其他都没有变化。 如果没有 “不 产生其他影响”这个限制，从单一热源吸热而全部转化为功是可以做到的，例如 理想气体在等温膨胀过程中，气体从热源吸热而膨胀做功，由于这过程中理想气 体保持温度不变，而理想气体又不考虑分子势能，因此气体的内能保持不变，从 热源吸收的热量就全部转化成了功，但是这过程中气体的体积膨胀了，因此不符 合“不产生其他影响”的条件。由此，热力学第二定律建立。

2．热力学第二定律的发展

热力学第二定律的两个表述 自然界自发进行的过程具有方向性,总是由非平衡态走向平衡态 1. 开尔文表述(1851 年)：不可能制成一种循环动作的热机,只从单一热源吸取 热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。2.克劳休斯表述：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。其实这2种表述是等价的，而这2中表述的区别在于克氏表述指出：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。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。

不可理过程有几个典型例子，比如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。热力学第二定律的含义 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。 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， 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。 (1)该系统是线性的； 第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件： (2)该系统全部是各向同性的。

3.热力学第二定律的应用

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”。当然，这些只是些题外话。热力学第二定律在日常生活中也有很多的应用，比如电冰箱，空调等热机，又比如磁悬浮列车，超导等都用到了热力学第二定律的知识。又有热力学第二定律破解第二类永动机神话，让人们不会被蒙蔽，这个算不算它的应用呢？（开个玩笑）

参考文献：《物理学史》，郭奕玲、沈慧君著，清华大学出版社，2000年版；

《改变世界的物理学》，倪光炯等著，复旦大学出版社，1999年版；

《现代物理知识》，2001年第3期。

热力学第二定律的演变历程及其在生活中的应用