扞卫热力学第二定律

1、捍卫热力学第二定律驳简明工程热力学基础一书的错误论点成如山（湖南师范大学物理与信息科学学院 长沙 410081）摘要：热力学过程是自然界最基本的过程之一，热力学第二定律就是揭示所有热力学过程进行的条件和方向及限度规律的一条定律，理论和实践都证明它是科学真理。而2005年以来，赵兴龙先生在网上多次发贴，称自己已推翻了热力学第二定律，并悬赏50万元人民币征求能驳倒其实例的反例，但至今无人问津。2006年9月出版的简明工程热力学基础为赵先生该观点的代表作，其所谓推翻热力学第二定律的实例尽显其中。本文只对书中否定热力学第二定律的四大实例进行批驳，以捍卫热力学第二定律。关键词：热力学第二定律 氦II喷泉

2、效应 超可逆过程 过程熵增 绝热减熵流动1.引言2005年浙江温州的赵兴龙先生在网上发表文章，称自己已推翻了热力学第二定律，且悬赏5万元人民币征求驳倒其论点的理论或试验，但无人问津。2006年初又将悬赏金提高到50万元人民币，不仅无人应战，反而有高级工程师、专家、学者在网上发贴，支持赵先生的错误论点，甚至称赵为“科学巨人”；同年9月赵编著的简明工程热力学基础（以下简称基础）一书公开出版，其所谓推翻热二定律的论据尽显其中。我曾从事大学热力学教学与研究38年，教学之余曾发表过有关热力学的研究论文数篇。经历学习、教学、研究，我对热力学理论（包括热力学第二定律）深信不疑，奉为科学真理，并为此奋斗数十载

3、而感到无比欣慰与光荣。然而赵先生的挑战使我很不安，为了捍卫科学真理和维护国家的声誉，也为了维护自己及学生的尊严，我必须出来应战。我也希望赵先生及其支持者，尽力说出自己的理论与试验，做到赢得痛快，输得心服。我亦如此。从物理学的角度来衡量，基础一书中有许多不规范、不严谨、不科学之处，以后有机会再作理论。此文只批驳书中否定热力学第二定律的四个问题。2.氦II的喷泉效应书中第四章第八节写道：“根据卡诺热效率的公式，在绝对零度的环境下，才有100%热效率的热机。而其实，只需有2.17K以下的温度，也能把热100%地转化为功。”其依据是，书中说：“液态氦的沸点（气压为0.1MPa时）为4.2K，但其降为2

4、.17K以下时液氦可毫无阻挡地流过极细小的缝隙，这称为超流动性，这种液氦称为超流体，记为氦II。超流体可以产生如图1所示的喷泉效应。”具体过程是：“在装有氦II的杜瓦瓶中插入玻璃容器，该容器的下部装满了极细小的FE3O4光粉（俗称红粉）。红粉被压得十分密实，使粉末的间隙很小很小，但HeII原子仍能毫无阻挡地通过。红粉层的下端由棉花塞与杜瓦瓶中的HeII相通。玻璃容器上部为一上端开口的细管，并伸出到He表面之上。若用强光持续照射该容器下部，则红粉吸热，并可看到玻璃容器顶端开口处有高达30厘米的液氦持续喷出。这种现象称为喷泉效应。将喷泉对准发电机的叶轮，让其转动而发出电能。液氦喷泉把热100%转变

5、为功。从这些论证我们应当有所思考。”书中这段用氦II产生喷泉效应，再用喷泉推动发电机发电的叙述是正确的，以此作出氦液吸取的热量100%地转化成了对发电机作的机械功的结论及提醒读者由这个喷泉效应而引出热量100%可转化为功的结论，在一定条件下也是正确的。因为这种热功是单个过程而不是循环过程。热量100%转化为功的单过程（或非循环过程）是存在的（如理想气体的等温膨胀过程或上述喷泉过程），是不违反热力学第二定律的。赵先生认定喷泉效应这个非循环过程的热量100%地转化成了功，是违反热力学第二定律的，这是对该定律的理解欠深而得出的错误结论。赵先生进一步认定热机工作过程与喷泉过程一样都能把所吸取的热量10

6、0%转化为功，是对热机工作过程必须经历热力学循环过程认识不深所造成的。其实道理很简单，要制成热机就必须周而复始地把热量转变为功为人类服务，而要能周而复始地做功，在理论上讲热机的工作过程就必须遵循某个循环（从始态经过一系列过程又回到始态），而既要完成某个循环又要吸热作功，就必需有放热过程才能回到始态。这就是说回到始态循环必需有吸热过程（才能作功）和放热过程（才能回到始态完成循环过程）。既然必需放热，则在循环中所吸的热量就不可能100%转化为功。但若能达到绝对零度OK（即-273.15。C），则热机吸热作功后可经绝对零度的环境回到始态以完成循环，而经绝对零度环境的过程无需放热（无热量可放），故该循

7、环只有吸热作功，即热效率可达到100%。 除此类热机循环外，其他任何不经过绝对零度的热机循环，其热效率都必低于100%。但可惜热力学第三定律已肯定绝对零度是用有限的手续所达不到的，意思是说，只有用无限的手续才能达到，无限手续就是比人类想到的手续还要多，还要复杂，这实际就是人类无法达到，但可无限接近的最低温度（即绝对零度是可望而不可及）。既然如此，热效率为100%的热机是造不成的（或可望而不可及）。这是热力学第二定律的另一种表述。遵照上述理论，赵先生认定喷泉效应是一部热效率为100%的热机，这是绝对错误的。这是因为仅从已有2.17K以下的超流HeII开始受光照射，到产生喷泉推动发电机作功而言，这

8、只是把吸取的热量转变为机械功的单过程，如果除去一切其它的消耗，所吸取的热量可以100转变为功，这并不违反热力学第二定律。但由此而推断热机的热效率可达到100，这就错了。原因是：为了保持产生喷泉以完成热力循环而周而复始地作功，就必须消耗额外的能量来制取所需要的2.17K的HeII。若把这些额外消耗的能量(包括热量)计算进去，喷泉热机的热效率就远远低于100%了。3.超可逆过程书中第五章第四节写道：如图2所示，贮气筒气压足够高，连着等截面管道向外界喷气，背压足够低。这时截面II处的流速要达到最高速(音速)，截面I处的流速要低于音速(管道有点流动阻力)，I-II间的管道似如一条拉直的蛇管换热器，外界

9、温度323K以实现等温换热。调节筒内温度，让气体流到截面I处的温度为323K，所对应的音速为360m/s，又选择截面I处的流速为350ms。于是进入截面I而流出截面II的1kg理想气体的能量守恒方程式 (1)等号左边第一、第二项及右边第一、第二项都是在温度323K时的推进功与内能。因理想气体在温度相等时，pv与u均不变。q0是拉直蛇形管吸取的热量q0=3550（J）。气体从I到II时的比体积（1Kg气体的体积）增大了倍，气体可逆等温吸热 In In 360/350=927010.02817=2611（J）按可逆过程方程算出所吸收的热量。这计算告诉我们：气体从状态I（323K,0.35m3/kg

10、）流动到状态2（323K,0.36m3/kg）吸热3550J，而可逆等温过程吸取的热量反而少些。吸热少于可逆过程所吸收热量的过程即为不可逆过程，那么，这个吸热超过可逆过程吸取热量的过程，应称为超可逆过程。遵照热力学第二定律直接导出来的熵增加原理：孤立系流的熵永不减少S0。S0对应不可逆绝热过程；S=0，对应于可逆绝热过程。在热力学第二定律的理论与实际体系中，不存在所谓超可逆过程。赵先生自认为超可逆过程是真实存在的，因此，超可逆过程的存在就推翻了热力学第二定律。其实，违反热力学第二定律的超可逆过程是不存在的，赵先生得出超可逆过程的理论基础是错误的。因为（1）式涉及到热功转化过程中热量与功转化的数

11、量关系问题。根据赵先生的算法：，得。(一)从下面的计算可知，若在截面1处气体的流速为C1=350ms，而在截面2处的流速为C2=360ms，则供给气体热量的热源温度应是439.1K，而不是赵先生凭空设想的323K。因这是热功转换过程，故该过程的任何物理量（包括热源的温度）应由赵先生给定的（1）式（实质上是热力学第一定律的表达式）和过程的热力学特性方程（如可逆等温吸热）共同决定。据此，由（1）式得，又由可逆等温吸热方程，得。因必须满足，故有：，得 （2）将代入（2）式得：（K）。（二）（2）式可变为： （3）将和，代入（3）式，有：得，而不是赵先生假定的360m/s。（三）同理，将和代入（3）式

12、，可得而非赵先生认定的350m/s。（四）过程的吸热效率，充其量最多，故。又取，均代入（1）式，得这与由（3）式方法计算的结果相符。总结以上的计算，可肯定赵先生臆想的和及T=323K这组数据是错误的；而和及T=439.1K这组数据；和及T=323K这组数据；和及T=323K这三组数据都是正确的。由这三组正确数据计算的结果，完全可推翻赵先生关于q可逆q不可逆的错误结果。按照，T=439.1K的数据进行计算。可逆等温过程吸取的热量（1kg空气）为：，并未出现q可逆q不可逆的结果。由此，可否定超可逆过程的存在。（1）同理，当，T=323K，时，按（1）式得，此过程可逆时：亦未出现的结果。（2）同理当

13、，T=323K，时，按（1）式又未出现的结果。这些计算都表明：q可逆q不可逆。所以，可肯定赵先生的超可逆过程是不存在的，而是赵臆造的。究其根本错因，是赵先生设想的和及T=323K三个数据中，总有一个是错误的。也就是说，赵先生是从错误的假设出发，得出了超可逆过程这个错误的结论。下面还要阐明，正因为赵先生从这些错误的假设出发，才得出了下文中过程熵增的错误结论。由上述分析与计算可知，气体从1II处所吸热量远远小于它在可逆等温过程中吸取的热量。这表明：气体在1II处的流动是热转化为功的不可逆过程，而绝非超可逆过程，即超可逆过程是赵先生主观臆造的，自然界是不存在的，是反科学的。这个结论是完全符合热力学第

14、二定律的。所以，这个过程根本不是热力学第二定律的反例。4.过程的熵增该书第五章第四节写道：图3右侧为一等截面通气管，内壁光滑，插在贮气筒中。贮气筒内压力足够高（10大气压），外界压强足够低，接近喷口截面2的气体流速为当地音速，而进口截面的流速低于当地音速。因贮气筒内的气体进入通气管是不可逆过程（不是圆滑的渐缩管），所以进口的流速低于当地的音速。截面3在接近进口1的位置，截面3处的流速比截面1处大，但比截面2处要小。另设截面3处的温度为323K，而在截面4处加热，使出口2处的温度为323.01K。这时对应的流速为音速（360m/s）。令截面3处的流速为350m/s（选择3处的位置可改变流速，往左

15、流速下降，往右流速接近于360m/s）。以上的气体流动是可以实现的。计算以上流动气体（空气）在截面4处的吸热为3550J/Kg加热热源的温度为340K，则有（更严格地计算应是，其中T是323340K中的某个值，这样计算的结果比10.44J/Kg.K还要大）。然而从另一方面计算得到气体进入截面到流出截面2，其熵增为（温度近似为1）由此得，这与热力学第二定律的表达式相反。这表明，我们所设计的气体流动出现了和传统的热力学第二定律对立的现象。 由上述引用可知，若认定赵先生设计的这个过程是可实现的且计算亦是正确的，则热力学第二定律便被推翻；反之，若能否定赵先生设计的这个过程及其计算，则就否定了推翻热力学

16、第二定律的结论。下面我正要做这一工作。（1）本文3中已详述了赵先生设计的这个气体流动过程，因流速过快而近乎绝热过程，充其量也只能吸取可逆等温过程吸取热量的20%（吸热效率）。据此，算出的吸热量q=522.2J/kg，得522.2/323=1.617（J/Kg.K），这远小于可逆等温过程的熵增S=S2-S1=8.083J/Kg.k。这结果完全与热力学第二定律所预计的结果吻合。即使不作近乎绝热过程处理，而按实际的可逆等温吸热进行计算，其结果完全与热力学第二定律一致。（2）3中已算出，要使1kg理想气体由350m/s等温吸热到360m/s，热源温度最低也要达到439.1k。气体吸热由（1）式算得，故

17、 。当该过程可逆时。所以，不存在的过程，即热力学第二定律并未被赵先生推翻。这些计算都表明：赵先生设计的这类过程不仅未推翻热力学第二定律，而恰恰相反，它正好证实了热力学第二定律的正确性。5.气体绝热减熵流动该书第五章第五节写道：图4所示贮气筒压力为10105Pa，气体温度为500K，外界压强近乎于零。喷射为绝热等熵流动。喷管中的压强为5.28105Pa，是临界压强。流量、流速是临界值（本文注：赵先生所述的临界值，是气体流速恰等于音速时所相应的值，如临界压强就是气体流速为音速时该气体的压强）。这时得到的颈部的压强分布为f1（x,y）。接着又写道：对图4中一段长度为L的喷管进行冷却，其压强由5.28

18、105Pa下降到1105Pa。这很容易做到：由于PV=RT，使T降低，比体积V与流速成正比（认为流量不变，对于等截面管道，由稳定流动连续性方程得流速与比体积成正比）。由于不存在流速减小的力学条件，所以比体积也不会减小，则压强P必减小。设P从5.28105Pa的临界压强降到1105Pa。这时，喷管口处的压力下降，而使得流速增大，从而使喷射体颈部的f1（x,y）的压力分布变成了新的分布f2（x,y）。f1（x,y）的分布，对应着的流动是绝热等熵的分布；f2（x,y）的分布，则对应着的流动已不是绝热等熵流动分布，但仍是绝热的流动，这是因为气体从贮气筒流到喷口L部位之前仍是绝热的，没有得到外部冷却气流

19、的冷却。由于流动变得更畅快（因得到冷却与引射的帮助），同样没有流动阻力，所以不会是熵增的。那么只能称f2（x,y）的分布为绝热减熵流动的压强分布了。绝热减熵流动需要未来的实验去证实。从上面这些文字我们弄懂了赵先生引出绝热减熵流动的思路，尽管这些文字有些故弄玄虚，令人费解。其实，绝热减熵过程是不存在的。这可从两方面来回答这个问题。（一）先作定性分析：这是因为，既然要对喷射的气体降温，压强又降得那么多（由5.28105Pa降到1105Pa），则气体在L段的放热就只能是宏观过程，亦即是不可逆的；既然在L段是宏观热力学过程，则与之同时同系统紧接着引发的气体变化过程L段以前的过程即f2（x,y）对应的过

20、程也必是宏观热力学过程，故必是不可逆过程；又因该过程仍是绝热的，即为不可逆绝热过程。依熵增加原理，该过程一定是熵增过程，而不是别的过程（包括绝热减熵过程）。既然绝热减熵过程是不存在的，那么就只能存在熵不减小的绝热过程，这正是热力学第二定律所预料与肯定的。这表明，在赵先生所设计的用以推翻热力学第二定律的这个过程，却正好是被热力学第二定律所否定的，这正好说明热力学第二定律对这个精心策划的过程也是适用的、正确的。（二）再计算f1（x,y）所历过程的熵变：设P1=10105Pa，T1=500K，1kg空气的比容为V1；P2=5.28105Pa，相应的温度为T2K，比容为V2；多变指数为n，则依热力学的

21、熵变公式：= （4）在（4）式推导中用到了多变方程和定容比热。当时，得这就是理想气体的绝热比，此时有，这表明，对于可逆绝热过程其熵增为零（或其熵不变）。这正是熵增加原理的内容之一。这过程是可实现的。当时，有，例如当n=1（等温过程）时，得：当时，得可知，这些过程都遵守热力学第二定律，也都是可实现的。当时，确有，如当时，得但的过程并不包含的绝热过程，所以，绝热过程并不存在减熵现象，也就不存在气体的减熵流动。而对于的那些非绝热过程，是存在的，这并不违反熵增原理，也就不违反热力学第二定律。综上所述，在所有的热力学过程（即n为实数）中，都不存在的绝热过程，也就不存在赵先生所认定的绝热减熵流动。顺便指出

22、，赵先生认定筒内压强按f1（x,y）分布的变化过程是绝热等熵过程的观点也是错误的。其实这也是绝热增熵过程。这是因为筒内压强为10大气压，而喷管中部的压强为5.28大气压，喷口处为1大气压，同一容器（系统）中的气体有这么大的压强差，其气体一定会作宏观的定向流动，因流动又是绝热的。故必是不可逆绝热过程，很显然，这过程是朝熵增加的方向发展的，即必为绝热增熵过程。结 论本文对赵先生所编著的简明工程热力学基础一书中所涉及推翻热力学第二定律的四大论点进行了批驳，归纳起来可作出四点结论：（一）喷泉效应作为非循环过程作功，其热效率可达到100%，这是不违反热力学第二定律的。认为这个过程推翻了热力学第二定律，是

23、对该定律的误解。将喷泉效应与其他过程构成热功循环时，其热效率也可达到100%，则是错误的。用喷泉效应作功的热效率可达到100%，而引伸到热机作功的热效率也可达到100%的论点也是错误的。进而先认定循环的热效率可达100%，以此为据而认定推翻了热力学第二定律更是错误的。（二）超可逆过程是不存在的，得出超可逆过程和熵增的论据是错误的。从而认定超可逆过程和推翻了热力学第二定律的结论是错误的。（三）绝热减熵过程是不存在的，得出绝热减熵结论的依据是错误的。力图用绝热减熵过程来推翻热力学第二定律是徒劳的。（四）热力学第二定律是关于内能与其他形式能量（机构能、电磁能等）相互转化规律的一条定律。也是对自然界一切热力学过程进行的方向和条件及限度的规律性总结。自该定律确立至今150多年以来，曾有不少人力图推翻该定律，甚至有人宣称已推翻了该定律，但事实证明，这些人均因对该定律的实质缺乏深刻了解而使自己陷入迷途，经别人指点才恍然大悟，最终放弃自己的错误观点，转而承认该定律是科学真理，从而一辈子坚信不疑。我也热望赵先生走同样的路。后 语美籍华人李政道与杨振宁在理论上推翻了“宇称守恒定律”，并被美籍华人吴健雄女士用实验证明了李、杨的理论是正确的，从而使李、杨二位同时获得了1956年的诺贝尔物理学奖。这是世界华人的骄傲。因热力学第二定律与人类的生