热力学第二定律的内涵

热力学第二定律的内涵

热学第二定律是多年来作者提出的物理规律。我详细解释了现行教材中这一规律，并认真重复了这一规律，但我对力学的第二定律有着深刻的内涵。我仍然怀疑，我也没有心中的基础。最近，作者仔细研究了静态和可逆性这两个基本的热学概念，并发现它们与热学第二定律之间存在着内在的本质关系。这使得作者对热学第二定律的理解质的飞跃。本文是学习过程的总结，希望给读者提供一些启发，并给读者提供建议。1影响力学过程平衡的诸因素由初中物理热机知识可以知道,热能和机械能相互转化必须通过热机内工作物质(如油气、混合物)的状态变化过程才能完成.显然,在实际设备中进行的这些过程都必然很复杂.首先,一切过程都是平衡被破坏的结果.工作物质和外界有了热和力的不平衡才促使工作物质向新的状态变化,故实际过程都应当是不平衡过程.若过程进行的相对缓慢,工作物质在平衡破坏后自动回复平衡时间又很短,工作物质有足够时间恢复平衡,随时都不致显著偏离平衡态,那么我们可以将这个过程看成似平衡过程,热学中称之为准静态过程.以上我们粗略勾落了准静态过程的概貌,为后续内容,我们再以气体膨胀为例详细阐述影响热力学过程平衡的诸因素.1.1气体压力差作用下的准平衡过程如图1所示,气缸内有一定质量的气体,其状态参量为p1,v1,T1,取气体为热力学系统.若气体对活塞的作用力p1A等于外界作用力p外1·A和活塞与气缸壁摩擦力Fμ之和,则活塞静止不动,气体的平衡状态可用图中点1表示.若外界施加的作用力突然减小为p外2·A,使之与摩擦力之和小于p1.A时,活塞两边的力不平衡,气体将推动活塞右行.在右行过程中,接近活塞的一部分气体首先膨胀,因此这一部分气体具有较小的压强,温度也会和远离活塞的气体有所不同,这就造成了气体内部的不平衡.不平衡的后果,造成气体内部质量和能量的迁移.最终气体各部分又趋向一致,并且在活塞终止于某位置时气体和外界间重新建立平衡,其状态如图中点2.如外界压力再减小为p外3,则活塞继续右行,达到新的平衡状态了.气体在1、2、3是平衡状态,而当气体由1→2由2→3时,中间经历的过程则是不平衡的.这样由1→2→3过程就是非平衡过程.外界作用力每次改变量越大,造成气体内部的不平衡性愈显著.但当外界作用力只改变一个微量,而且每两次改变时间又大于回复气体平衡的时间,则气体每次偏离平衡状态极少,而且又很快恢复平衡,在整个过程中气体好像始终没有离开平衡状态,此时的过程就是准静态过程.由此可见,气体在压力差作用下实现准平衡过程条件是:1.2气体和热源的相互作用在平衡过程中还需热的平衡,即气体的温度也必须时刻一致.为此,在过程中气体的温度与气缸壁和活塞一致.假若气缸壁与温度较高的热源相接触,则接近气缸壁的气体将首先升温,并引起压强升高,造成气体内部不平衡.随着分子的热运动和气体的宏观运动,这种影响再逐渐扩大到全部.此时若外界作用力保持不变,则由于气体压力的增大将推动活塞右行,其现象同力不平衡造成的结果.这一变化将进行到气体各部分都达到热源的温度,压力达到外界平衡时的压力,体积则对应于新的温度和压力下的数值,而后处于新的平衡.显然,中间经过的各状态均不平衡,这样的过程也是不平衡过程.只有当传热时热源和气体温度始终保持相差为无限小时,其过程才是准平衡的,因此,实现准平衡过程温度条件为:热的平衡和力的平衡是相互联系的,只有气体和外界的压差又温差均为无限小时过程才是准静态过程.如果在过程中还有其他因素存在,还必须加上其它条件才能实现准静态过程.另外,只有准静态过程才能在坐标图上用连续的曲线表示.2工作物质膨胀什么是可逆过程?可逆过程是在准静态过程基础上进一步加强的概念,为具体起见,下面以图2为例说明之.图2是由工作物质、机器(包括气缸、活塞和飞轮)和热源组成的系统.设工作物质经1→3→4→5→6→7→2进行准静态过程,体积由V1膨胀到V2,同时自热源吸热.因在准静态过程中工作物质随时与热源保持热和力的平衡,热源与工作物质的温度随时相等,工作物质对外界的作用力与外界的反抗力也应随时相等.若没有任何摩擦,则上述过程就随时可以无条件逆行,使外力压缩工作物质同时向热源放热.若过程是非准静态的,则当进行膨胀过程时,工作物质的作用力一定大于反抗力,此时若不改变外力大小就不能用这较小反抗力压缩工作物质回行.同样,当工作物质从高过自身的热源吸热时,自然不再能让温度较低的工作物质向同一热源放热而使过程逆行.在上述准静态膨胀过程中,工作物质膨胀作功之一部分克服摩擦而耗散为热;另一部分通过活塞、连杆系统传给飞轮,以动能形态储存于飞轮之中;余下部分用于因气体膨胀体积增大,通过活塞移动排斥大气作功.假如工作物质内部及机械运动部件之间无摩擦等损耗,则工作物质所作的膨胀功除用于排斥大气外全部存储于飞轮中,此时若利用飞轮动能来推动活塞逆行,将工作物质沿2→7→6→5→4→3→1压缩,由于活塞逆行时大气通过活塞对工作物质作功与前述排斥大气耗功相等,故压缩工作物质所消耗功恰与膨胀过程气体作功相等.此外,在压缩过程工作物质排给热源之热量也恰好等于膨胀时所吸收的热量.因此当工作物质回复原态1时,机器与热源也都回复到原来状态,也就是工作物质及过程牵涉到的外界全部恢复到原来状态而不留下任何变化.据上述分析,可以定义,当完成某一过程后,如果有可能使工作物质沿另一过程回到原来状态,并使外界亦回复到原来状态而未留下任何改变,则这个过程就叫可逆过程,不满足上述条件的过程为不可逆过程.3热风冷热源热压的自发过程与热法等自发过程的关系自然界的一切自然过程是否可逆呢?人们在实践过程中逐步认识到,除了无摩擦准静态过程外,一切自发过程都是不可逆的.举例来说,热量自高温热源转移到低温热源以及机械能转化为热能等自发过程,虽然我们可以使热量由低温热源返回高温热源,也可以将热能转化成机械能,但我们必须付出一定代价或者不可能使过程涉及到的系统及外界均回复到原态.另外,我们还可以证明,自然界一切自发过程的不可逆是相通的.正是认识到自然界