热力学第二定律的发展与应用

1、热力学第二定律的发展与应用On the second law of thermodynamics' development andapplication淮阴工学院 数理学院 应用物理1101班 沈梅玲1104105106The establishme nt of the particle physics and the applicati on of physicsHuaiyi n tech applied physicsShe n Mei-li ng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。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

2、具有不可逆性的 经验总结。本文综述了该定律的发现、演变历程、并介绍了它在工农业生产、生活和化学 中的应用。Abstract: Second law of thermod yn amics is one of the fun dame ntal laws of thermod yn amics is that heat will always be only by heat to a cool place. It is about the limited space and time, and the thermal moti on of all the releva nt physical a

3、nd chemical processes are irreversible in the less ons learn ed. In this paper, the discovery of the law, developme nt process, and in troduces its in dustrial and agricultural production and the application of life.关键词：热力学第二定律，演变历程，应用Keywords:sec ond law of thermod yn amics,livejournal,applicatio n

4、1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，它们 既不涉及物质的微观结构，也不能用数学加以推导和证明，但它的正确性已被无 数次的实验结果所证实。有关该定律的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与限度的规律，进而推广到有关物质变化过程的方向与限度的普遍规律。由于在生活实践中，自发过程的种 类极多，热力学第二定律的应用非常广泛，本文将做相关介绍。2热力学第二定律及发展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

5、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

6、。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

7、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

8、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，内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一一熵。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

9、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。3热力学第二定律的应用3.1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

10、。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”。3.2热力学第二定律的一些典型应用3.2.1对时间的理解我们已经知道，热力学第二定律事实上是所有单向变化过程的共同规律，而时间的变化就是一个单向的不可逆过程， 对每个人都一样，时间一去不复还，因 此还可以这样理解：时间的方向，就是熵增加的方向。这样，热力学第二定律就 给出了时间箭头。物理学的进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关。 这 就是说，热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。结果我们看到：热力学第一定律指出，时间是均匀的；热力学第二定律指出，时间是有方向的。这两条定律合在一起告诉我

11、们：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。322黑洞温度的发现1972年，30岁的英国青年物理学家霍金，提出了黑洞的“面积定理”。证明 了黑洞的面积A随时间变化只能增加，不能减少，即 :A_ 0。这个定理认为，物质落入黑洞、两个黑洞相撞等导致黑洞面积增加的过程，是可以发生的。而一个黑洞分裂为两个黑洞的情况，由于会导致黑洞面积减少， 因而是不可能发生的。面积定理，不由使人想起热力学中的“熵”。几乎与此同时，青年物理学家贝根斯坦和斯马尔，各自独立得出了关于黑洞的一个重要公式。 这个公式把黑洞的一些参量组合成了类似于热力学第一定律的形式kMA lJ V -.'8 二式中M J、C分别是黑洞的总质

12、量、总角动量、总电荷；A、Q、V分别是黑洞的表面积、转动角速度和表面上的静电势。k称为黑洞的表面重力。此公式与普通转动物体的热力学第一定律表达式U 二T S 门 J V Q非常相似。式中U、T、S分别是系统的内能、温度和熵；Q、J、V、Q等物 理意义与前式类似。比较这两个公式不难看出，黑洞面积 A确实像熵S,而黑洞 的表面重力k非常像温度To3.2.3热力学第二定律在化学反应中的应用根据热力学第二定律，一切自发过程都是不可逆过程。而一切不可逆过程的 发展总是朝着使系统及有关周围物质的熵的总和趋于增大，只有在理想的可逆过 程中两者熵的总和保持不变。即有dS+dSo%把热力学第二定律应用于化学反应

13、，就是要判断化学反应进行的方向以及确定达 到化学平衡的条件。大多数的化学反应可以按定温-定压反应或定温-定容反应分析。对于这类反 应过程，系统的温度一定且与周围环境温度相同，因而有dS0=：Q /To=-：Q /t代入熵增原理的表达式便可得到TdS- ：Q X)化学反应过程有用功的表达式为、Wu w(dU-TdS)-、W在定温-定压反应中，G= H-TS,状态参数G称为吉布斯自由能，也称为吉布 斯函数。把吉布斯自由能引入上述定温-定压反应过程的有用功的关系式，就可 得Wu <-dG对于可逆的定温-定压反应，反应系统可作出最大的有用功。按式Wu <-dG(Wu ) max= dG即在

14、可逆的定温-定压过程中，系统所作的最大有用功等于系统吉布斯自由能的 降低。对于不可逆定温-定压反应， W|V Gi G2 (Wu)max即由于不可逆因素的影响，系统所作的有用功小于最大有用功。在定温-定容反应过程中，反应系统的容积保持不变，故容积变化功为零。 反应系统的有用功可表示为购u 匚 d(U TS) -dF式中F U TS为一个状态参数，称为亥姆霍兹自由能，或称为亥姆霍兹函数。 该式说明，在可逆的定温定容反应过程中，反应系统所作的最大有用功等于系统 亥姆霍兹自由能的降低；而在不可逆的定温-定容反应过程中，系统所作的有用 功小于系统亥姆霍兹自由能的降低。总结热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，