对热力学定律的认识

1、1 引言热物理学是整个物理学理论的四大柱石之一，热力学是热学理论的一 个重要组成部分，也就是热现象的宏观理论。热力学主要是从宏观角度出 发按能量转化的观点来研究物质的热性质， 热现象和热现象所服从的规律。 它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是 总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒 子的相互作用，具有高度的可靠性和普遍性，无论是在热力学理论中或在 热工技术中，都有重要的作用。通过对热现象的观测、实验、和分析，人们总结出热现象的基本规律， 这就是热力学四大定律，这几个基本规律适用于一切宏观物质系统，是热 力学的基本理论。热力学第零定律反映了热

2、平衡的条件及热平衡规律，它 引进了系统的态函数 （状态参量） 温度 . 热力学第一定律反映了能量守 恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数内能，而指出系 统内所发生的热力学过程中的热量、内能和功之间的联系，热力学第二定 律是在热力学第一定律（能量守恒定律）建立后不久建立起来的，它的建 立与 19世纪 20年代卡诺对于热机的研究有着密切的关系。 克劳修斯在 1850 年发表的论文中提出，在热的理论中，除了能量守恒定律以外，还必须补 充另外一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从 低温转移到高温。 ”这条定律后来被称作热力学第二定律。 第二年（ 1851 年） 开尔文提出

3、了热力学第二定律的另一种表述方式，开尔文的表述在现代教 科书中一般表述为：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而 不产生其他影响。关于热力学第二定律的两种说法是等价的，它们都是关 于自然界涉及热现象的宏观过程进行方向的规律。其实，热力学第二定律 还可以有其他很多种不同的表述方式。热力学第三定律有几种表述方法， “绝对零度不能达到原理”便是其中一种。然而第三定律虽然指出绝对零度不可能达到，但并不限制人们使物体的温度无限接近绝对零度。热力学 第三定律同热力学第一定律、第二定律一道为热力学的发展和完善起到了 支柱的作用，是热物理学的基本理论基础之一。本文就热力学第零、一、 二、三定律的基本内

4、容和应用作一些讨论，以便深刻理解和掌握热力学定 律。2 热力学第零定律什么是温度？人们在日常生活中， 凭自己的感觉就能判断一个物体是冷 还是热。感到热就认为温度高一些，感到冷就认为温度低一些。当然这种 感觉是不可靠的。于是人们就简单地建立起了有关温度的初步概念。温度 是描述物体冷热程度的物理量。温度概念的引入和定量测量都是以热平衡定律为基础的。在不受外界影响的情况下，只要A物体和B物体同时与C物体处于热平衡, 即使A和B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态，这种规律称为热平衡定 律，也称为热力学第零定律。热平衡定律是否勒（ Fowler ）于1939年提出的，它独立于热力学第一 定律、热力学第二

5、定律和热力学第三定律之外，由于热平衡定律在热力学 理论中的地位，人们把它称为热力学第零定律。热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的 特征它们的温度是相同的。实验也证实，在外界条件不变的情况下把 已经达到热平衡的系统中的各个部分相互分开，是绝不会改变每个部分本 身的热平衡状态的，这说明热接触为热平衡的建立创造了条件。热力学第 零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的办法。由 于互为热平衡的物体具有相同的温度，在判别两个物体温度是否相同时， 不一定要两物体直接热接触，而可借助一“标准”的物体分别与这两个物 体热接触就行了，这个作为“标准”的物体就是温度 计1

6、。这里需要说明，第零定律只能够说明物体之间有没有达到热平衡，也 就是说物体之间的温度是否相同，而不能比较尚未达到热平衡的物体之间 温度的高低。3 热力学第一定律在十九世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械第一类永动机的制 造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之 后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提 出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。直至 热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自 破2 。热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，能量 守恒与转换定律的发现与其他物理规律的发现最大不同之处在于它不是某

7、 一位科学家独立研究而提出的，而是由许多科学家在不同的研究领域分别 发现的。到了十九世纪四十年代前后，西欧的四、五个国家，从事七、八 种专业的十多位科学家分别通过不同的途径，各自独立地发现了能量守恒 和转换定律。自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式 转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量 的数量不变。根据能量守恒定律，作功是能量转化的量度，不可能无中生 有地创造能量，因此热力学第一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗 任何形式的能量而能对外作功的机械）是不能制造出来的。半个多世纪中很多科学家冲破传统观念的束缚而作出不懈探索，直到 1850年，科

8、学界才公认热力学第一定律是自然界的一条普适定律，适用于 一切形式的能量，而迈耶、焦耳、亥姆霍兹是一致公认的热力学第一定律 的三位独立发现者。- 3 -3.1热力学第一定律的数学表达式从微观的角度来看，内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子 等）的微观无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。内能是状态函数，当系统的初态1和终态2给定后，内能之差就有确定值，与系统由1到2所经 历的过程无关。处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一 一对应的关系。如果系统经历一个非绝热过程，系统在终态 2和初态1的内能之差U2 -U1就等于在过程中外界对系统所作的功 W与系统从外界吸收的热量Q之和。可

9、以写成下述形式:U2=Q W（ 1）这就是热力学第一定律的数学表达式。也就是说，在过程中通过作功 和传热两种方式所传递的能量，都转化为系统的内能。上面说的是有限的过程，如果系统经历一个无穷小的过程，内能的变化为dU ,外界所作的功为dW ,系统从外界吸收的热量为dQ，则有dU 二 dQ dW（2）在式（1）和（2）中初态和终态是平衡态，但过程所经历的中间状态 并不需要是平衡态，也就是说式（1）和（2）对非静态过程也是适用的。对于准静态过程，把上式改写为dU = dQ - pdV（3）3.2热容和焓存在温度差时所发生的传热过程中，物体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量称为物体的热容。系统在等体

10、过程中，由于体积不发生变化,所以，系统对外界以及外界对系统都不作功，根据热力学第一定律，我们就知道在等体过程中，吸收的热量等于内能的增量。因此，我们可得定体热容 C =（ ）V（4）cT（巴）表示在体积不变的条件下内能随温度的变化率，对于一般的简 汀单系统，U是T、V的函数，因而Cv也是T、V的函数。在定压过程中，（3）式可改写为（.g）ppV）,定义函数H =U pV ,称为焓。说明在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函 数焓的增值。这是态函数焓的重要特性。我们可得到定压热容Cp （埜）（5）P cT P对于一般的简单系统，定压热容量是 T、P的函数。实际上在实验及工程技术中，焓与定压热容

11、要比内能与定体热容更有 重要的实用价值。这是因为地球表面上的物体一般都处在恒定大气压下， 而物态变化以及不少的化学反应都是在定压条件下进行的，而且测定定压 比热容在实验上也较易于进行。3.3热力学第一定律对气体的应用一般说来，内能是温度T和体积V勺函数，我们知道理想气体的分子互 作用势能为零，焦耳于1845年所做的著名的自由膨胀实验就理想气体内能 是否与体积有关这一问题做了研究。图1是实验装置的示意图，气体被压缩在容器的一半，容器的另一半为 真空，两半相连处有一活门隔开，整个容器浸没在水中，打开活门让气体 从容器的一半涌出，而充满整个容器，然后测量前后水温的变化，焦耳得 到的实验结果是水温不变

12、。图i我们对这个实验结果进行分析，将整个气体看作所研究的系统，由于气体是向真空膨胀的，膨胀时不受外界阻力，所以气体不对外作功，W =0 0水温没有变化说明气体与外界没有热量交换， Q = 0，由(1)式的U = 0，说明气体的内能在过程前后不变，如果选 T、V为状态参量，内能函数为 U二U(T,V)，由焦耳的实验结果可得出(卫)T =0，说明理想气体的内能只 eV是温度的函数，与体积无关，这个结果称为焦耳定 律。因此，对于理想气体，(4)式的偏导数可以写成导数的形式，即Cv =dU，积分即可求出理想气体任何过程中内能的改变dTT2U2 -U,CVdT(6)T1虽然理想气体经历的过程多种多样，可

13、以是等压的、等体的、等温的、 甚至也可以是非准静态的，但是在整个过程中内能的改变总是等于其初、 末态温度与该过程分别相等的该气体等体过程中吸放的热量，这是因为内 能是状态的函数，而理想气体的内能只是温度的函数。根据焓的定义和理想气体的物态方程，可得理想气体的焓为H 二 U pV 二 U(T) RT(7)说明理想气体的焓也仅是温度的函数。因此，对于理想气体，(5)式-5 -(8)的偏导数也可以写成导数的形式，即CpdHdT将上式积分，可得L CpdT(9)表明在等压过程中吸收的热量等于焓的增量F面具体讨论理想气体的几个过程当系统的体积V不变时，系统对外界做的功为零，它所吸的热量 Q等于系统内能的

14、增加。对于理想气体有T2Q = T CvdTT1(10)有很多变化过程都可认为是在等压条件下进行的。理想气体在等压过程中吸收的热量Q为T2QCpdTT1(11)理想气体在等温过程中内能不变，若气体被等温压缩，则外界对气体所做的正功全部转变为热量C向外释放。在作等温膨胀时，气体从外界吸收的热量C全部转化为气体对外做的 功。在准静态等温膨胀中Q=-W=；：RTIn 二V1(12)上式表示，物质的量为理想气体在温度为T的等温膨胀中，体积由V1增大到V2的过程中，吸收的热量。如果系统在整个变化过程中不和外界交换热量，这样的过程称为绝热过程。绝对的绝热过程不可能存在，但可把某些过程近似看作绝热过程。例如

15、被良好的隔热材料包围的系统中所进行的过程。在绝热过程中，因Q =0 ,系统绝热膨胀对外做了多少功，内能就减少多少，任何系统（不一-7 -定是理想气体）在任何绝热过程（不一定是可逆过程）中内能的增量必等 于外界对系统做的功。3.4热机效率热机是把热转化为功的机械，18世纪第一台蒸气机问世以后，经过很多人的改进，特别是纽科门和瓦特的工作，使蒸气机成为普遍适 用于工业的万能原动机，但当时的热机效率也仅有约3%。热机效率是指在一个循环中热机从外界吸收的热量有多大部分转变为对外输出的有用 功，如果用表示，则定义式为|Qi 卜 Q |IQilLQdIQil(13)式中Qi表示系统从高温热源吸收的热量，Q2

16、表示系统向低温热源放出的热 量。热机的效率是热机问世以来科学家、发明家和工程师们一直研究的重要问题。现在的内燃机和喷气机跟最初的蒸汽机相比，效率虽然 提高了很多，但从现在节约能源的要求来看，热机的效率还远远不能 满意。现在最好的空气喷气发动机，在比较理想的情况下其效率也只 有60%。用的最广的内燃机，其效率最多只达到40%。大部分能量被浪费掉了。如何进一步提高机器的效率就成了工程师和科学家共同关心的 问题。3.5热力学第一定律的历史作用能量守恒和转化定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步，它揭示 自然界是一个互相联系、互相转化的统一体，第一次在空前广阔的领域里 把自然界各种运动形式联系起来，以

17、近乎系统的形式描绘出一副自然界联系的清晰图像。在理论上，这个定律的发现对自然科学的发展和建立唯物 辩证主义自然观提供了坚实的基础。在实践上，它对于永动机之不可能实 现，给予了科学上的最后判决，使人们走出幻想的境界，从而致力于研究 各种能量形式相互转化的具体条件，以求最有效地利用自然界提供的各种 各样的能源。 热力学第一定律的建立， 为自然科学领域增添了崭新的内容， 同时也大大推动了哲学理论的前进。现在，随着自然科学的不断发展，能 量守恒和转化定律经受了一次又一次的考验，并且在新的科学事实面前不 断得到新的充实和发展。特别是相对论中质能关系式的总结使人们对这一 定律的认识又大大地深化了一步，即在

18、能量和质量之间也能发生转换 54 热力学第二定律在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这 时，又有人设计这样一种机械它可以从一个热源无限地取热从而做功， 这被称为第二类永动机。1824 年，法国陆军工程师卡诺设想了一个没有摩擦的理想热机。 通过对 热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环（即卡诺循环） 的研究，得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决于 热源的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能达到 100%，即热量不能 完全转化为功。卡诺所处的时代正是热质说占统治地位的时代，卡诺的这 段话也是热质说的反映。现在看起来当然是不对的，但是他得到的结论

19、却 是正确的：“单独提供热不足以给出推动力，还必须要冷。没有冷，热将 是无用的。”他已经接触到了热力学第二定律的边缘。1850 年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺 原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热量从低温物体传到高温物 体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律的“克劳修斯表述”。不久， 开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其- 9 -他影响，这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。开尔文表述和克劳修斯表述分别揭示了功转变为热及热传递的不可逆 性。它们是两类不同的现象，它们的表述很不相同，但是却是等价的。他 们都是指明了自然界宏观过程的方向

20、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。利用制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

21、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6 。需要说明，热力学第二定律还可有其他很多种表述，但是，因为所有 这些第二定律的表述都是等价的，都可从一种表述出发导出另一种表述， 所

22、以大家公认以历史上最早出现的开氏表述及克氏表述作为热力学第二定 律的传统的表述方法。4.1热力学第二定律的实质与第一、第零定律的比较在一切与热相联系的自然现象中它们自发地实现的过程都是不可逆 的。这就是热力学第二定律的实质。它反映了实际宏观过程进行的条件和 规律, 指明了各种运动形式之间存在着差异。 一种运动形式不同于另一种运 动形式，各种运动都有自身的特点 ,不能相互代替。 不同运动形式的转化在 一定条件下存在着不平等的情况 , 如爆炸过程一经发生 ,所产生的后果就不 会完全消除,再也不会自发地恢复原状。 一个过程是否可逆是有一定条件的 是由过程的初态和终态之间的关系决定的 , 不可逆过程自

23、发进行的方向 , 用任何方法都不可能使系统由终态返回初态而不产生其他影响。实际上自 然界中一切不可逆过程都是相互关联的 , 都是等效的。任何事物在一定条 件下总具有逐步丧失运动能力和生命力的趋势。热力学第一定律主要从数量上说明功和热量的等价性，热力学第二定 律却从转换能量的质的方面来说明功与热量的本质区别，从而揭示自然界 中普遍存在的一类不可逆过程。热力学第二定律和第一定律一样 , 都是在 人们的生活实践中总结归纳出的普遍规律 , 它的理论以及它的推论被一切 实验和具体实践证明是正确的。热力学第零定律指出温度相同是达到热平衡的诸物体所具有的共同性 质。热力学第零定律并不能比较尚未达到热平衡的两

24、物体的温度的高低， 而热力学第二定律却能从热量自发流动的方向判别出物体温度的高低，所 以热力学第零定律与热力学第二定律是两个相互独立的基本定律。4.2 卡诺定理早在开尔文与克劳修斯建立热力学第二定律前 20多年，卡诺在 1824年 发表的谈谈火的动力和能发动这种动力的机器的一本小册子中不仅设 想了卡诺循环，而且提出了卡诺定理。（1）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机其效 率都相等，而与工作物质无关。2）在相同高温热源和相同低温热源间工作的一切热机中，不可逆热 - 11机的效率都不可能大于可逆热机的效率。若一可逆热机仅从某一温度的热源吸热，也仅向另一温度的热源放热， 从而对外做

25、功，那么这部可逆热机必然是由两个等温过程及两个绝热过程 所组成的可逆卡诺机。所以卡诺定理中讲的热机就是卡诺热机。这个理论包含了热力学第二定律的基本内容，阐明了一切可逆热机的效 率与工作物质无关，而且要小于100%如工作物质为理想气体，它能把从高 温热源吸收的热量的一部分转化成机械功，其余的部分仍以热量的形式在 低温热源处给外界；在逆循环中，理想气体把从低温热源吸收的热量传递 给了高温热源，同时也把外界对它所作的功转化成热量传递给了高温热源。 即热力学系统内部的任何过程都无法自动复原，必须依靠外界施加影响才 能实现。这是由于热现象在初态与终态之间存在着重大差异的缘故。这种 差异导致了过程进行具有

26、方向性，而不仅仅是满足热力学第一定律就可以 实现的过程，说明了一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆 的。4.3熵与熵增加原理我们知道，在热力学中，克劳修斯研究了卡诺定理，发现系统经历任 意可逆循环后，都有：(14)由（14）式，根据保守力场原理，系统必定存在某函数 S，使:对于无限小的过程,Sb - Sa15）式可写为b dQa可逆 T(15)(dQ)可逆T依此，克劳修斯最先把函数S 定义为系统的熵将(16)式代入热力学第一定律表达式，可得TdS =dU pdV(17)这是同时应用热力学第一定律与热力学第二定律后的基本微分方程， 它仅适用与可逆变化过程。从(16)式可知，若系统的状态经历一可逆

27、微 小变化，它与恒温热源T交换的热量为(dQ)可，则该系统的熵改变了 dS 一(dQ)，这是热力学对熵的定义，克劳修斯于 1854年引入了熵这一状态T参量，1865年他把这一状态参量称为Entropy，并说明它的希腊文的词意是 转变，指热量转变为功的本领。熵的中文词意是热量被温度除的商。熵的 单位是J K ' o虽然“熵”的概念比较抽象，但随着科学发展和人们认识的不断深入， 人们已越来越深刻地认识到它的重要性不亚于 “能量”，甚至超过“能量” 1938年，天体和大气物理学家埃姆顿在“冬季为什么要生火？ ”一文中写 到：“在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定整个 企业

28、的经营方式和方法，而能原理仅仅充当簿记，平衡贷方和借方°”下面来讨论一下理想气体的熵。由(17)式可得1dS (dU pdV)(18)对于理想气体，dU “CV,mdT ,又P =乎，故有pITp| /dS=vCVm+vR(19)TV对上式两边积分可得S-S厂,/ CV,mdTRlnV(20)忑TVn在温度变化不大时，Cv,m可认为是常数，则S - So = Cv,mTVIn Rin -ToVo(21)20)对于理想气体来说，只要确定了初、末态的状态参量，就可利用（ 式计算熵变，而与变化路径以及是否是可逆过程无关。熵是一个比较抽象、比较复杂的热力学概念，从宏观的角度看熵增加原理是它的

29、主要内容大量实验事实表明，一切不可逆绝热过程中的熵总是增加的，而从（16） 式可知，可逆绝热过程中的熵是不变的。熵增加原理就是热力学系统从一 平衡态绝热地到达另一个平衡态的过程中，它的熵永不减少，若过程是可 逆的，则熵不变，若过程是不可逆的，则熵增加。4.4热力学第二定律的数学表达式引进熵之后，可得热力学第二定律的如下数学表达式Sb -Sa 一（等号表示可逆过程，不等号表示不可逆过A T程）其中，Sa和Sb分别表示体系在初态和末态时的熵，可逆过程中，T是体系的温度，而不可逆过程中的T是热源温度。dQ代表体系吸收的热量， dQ的值随过程而异。热力学第二定律的数学表达式与第二定律其它表述一样都可以

30、判断热 过程进行的方向。5热力学第三定律是否存在降低温度的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的压力将等于零。根据他的计算，这 个温度即后来提出的摄氏温标约为-239 C,后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为-270.3 C。他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。他们的这个看法没有得到 人们的重视。直到盖-吕萨克定律提出之后， 存在绝对零度的思想才得 到物理学界的普遍承认。1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力学温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限1906年，德

31、国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时,把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的 规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系的熵在等温过程中的改变趋于零即lim（'s）t =o，称为能斯特定理。德国著名JQ物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时， 固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理，通常认为，能氏定理 和绝对零度不能达到原理是热力学第三定律的两种表述。由于绝对零度不能达到原理的表述简洁且物理意义明确，所以被现代 人们公认为热力学第三定律的标准表述9，热力学第

32、三定律作为热力学基 本定律，从此，热力学的基础基本得以完备。在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化。在 实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃 制造第一种永动机和第二种永动机的意图。而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度。目前使用绝热去磁的方法已达到5 10'°K，但永远达不到0K。6热力学与节能我国能源利用率不高，远未达到物尽其用的地步 ，如何更有效而无 污染以利用，是我国科技界的一个重大课题。所有能源如何高效利用 的研究，实际上是热量传递和能量转换，如何更好地遵循热力学的基本 规律。在热力学的理论中，最基本的是热力学第一定律和第二定律，

33、它广泛应用于科研、试验、工程设计等各个方面。热力学第一定律是从能 量传递或转换过程中总结出来的一条客观规律 ，按这个规律，锅炉将水加 热变成蒸汽，其吸收热量加上各种损失量是与锅炉中燃料燃烧 ，产生的热 量是相等的。该定律应用的广泛性是大家熟悉的。但是热力学第一定律并 未说明热量将从那个物体传给那个物体，在什么条件下才能传热，传热将 进行到何时为止，即没有说明热量传递方向，条件和深度。同样，在热能 与机械能的相互转换过程中，热力学第一定律只告诉我们数量，但热能是 否能自发地转为机械能，能不能全部转变为机械能，在极限情况下有多少 可以转变为机械能，这里也存在着一个方向、条件和深度问题。热力学第 二

34、定律就是阐述这些问题的。人们长期认识到，凡是牵涉到热现象的一切 过程，都有一定的方向性和不可逆性。例如，热量总是从高温物体自发地 传向低温物体，它不会自发地从低温物体向高温物体。又如机械能可以通 过磨擦无条件地完全地转换为热量，但热能无法通过磨擦而转变为机械 能。换句话说，机械能转变为热能没有什么条件限制的，而热能转变为机 械能是受一定条件限制的，这个限制条件就是必须将其中一部分热量从高 温热源排放到低温热源中去。即使在最理想的情况下，依照可逆循环把热 能转变为机械能也是有限度的。这个限度是什么呢 ？就是卡诺循环效率。(22)T2是低温热源温度，Ti是高温热源温度，这个热效率总是小于1,决不能等 -17于1。虽然得出这个效率的过程是理想化的 , 实际上是无法实现的 , 但是具 有实际意义。这就是解决了热机热效率的极限问题 , 并从原则上指出了提 高各种热机效率的途径。使我们知道 , 在实际热力工程中 , 要想设计制造 出高于卡诺循环热效率的热机是不可能的 , 但可通过一切技术手段 , 改进 热力循环 , 使其尽量与卡诺循环接近 , 便可以提高其热效率。热力学是研究热现象规律的基础学科