熱力學第二定律的發(fā)展與應用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上熱力學第二定律的發(fā)展和應用引言：熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，它廣泛地應用于各個學科、生活領域。本文回顧了其建立的歷史背景及經(jīng)過，它的準確的表述和含義，及它的一些應用。一、熱力學第二定律的建立和表述在生產(chǎn)實踐中, 法國人巴本發(fā)明了第一部蒸汽機, 其后經(jīng)瓦特改進的蒸汽機在 19 世紀得到了廣泛應用,隨著蒸汽機在工業(yè)生產(chǎn)中起著愈來愈重要的作用，但是關于蒸汽機的理論卻并未形成。人們在摸索和試驗中不斷改進著蒸汽機，經(jīng)過大量的失敗和挫折雖然一定程度地提高了機械效率，但人們始終不明白提高熱機效率的關鍵是什么，以及效率的提高有沒有界限如果有，這個界限的值有多大這些問題成為當

2、時生產(chǎn)領域中的重要課題。 19 世紀 20 年代, 法國陸軍工程師卡諾( S. Car not , 17961832) 從理論上研究了熱機的效率問題。他在他發(fā)表的論文“論火的動力”中提出了著名的“卡諾定理”，找到了提高熱機效率的根本途徑。但卡諾在當時是采用“熱質(zhì)說”的錯誤觀點來研究問題的。19 世紀 50 年代，威廉湯姆遜 ( William Thomson , 18241907) ( 即開爾文勛爵) 第一次讀到了克拉珀龍的文章, 對卡諾的理論留下了深刻的印象。湯姆遜注意到焦耳熱功當量實驗的結(jié)果和卡諾建立的熱機理論之間有矛盾，焦耳的工作表明機械能轉(zhuǎn)化為熱，而卡諾的熱機理論則認為熱在蒸汽機里并不

3、轉(zhuǎn)化為機械能。本來湯姆遜有可能立即從卡諾定理建立熱力學第二定律，但由于他也沒有擺脫熱質(zhì)說的羈絆。錯過了首先發(fā)現(xiàn)熱力學第二定律的機會。就在湯姆遜遇到研究瓶頸之際，克勞修斯于1850年率先發(fā)表“論熱的動力及能由此推出的關于熱本性的定律”，“熱動說”重新審查了卡諾的工作，考慮到熱傳導總是自發(fā)地將熱量從高溫物體傳給低溫物體這一事實，得出了熱力學第二定律的初次表述。后來歷經(jīng)多次簡練和修改，逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)行物理教科書中公認的“克勞修斯表述”熱量可以自發(fā)地從較熱物體傳遞至較冷物體，但不能自發(fā)地較冷物體傳遞至較熱物體，即在自然條件下這個轉(zhuǎn)變過程是不可逆的，要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)，只有靠消耗功來實現(xiàn)。與此同時，開爾文

4、也獨立地從卡諾的工作中得出了熱力學第二定律的另一種表述，后來演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn)行物理教科書中公認的“開爾文表述”不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響。也就是說：自然界中任何形式的能都可以變成熱，而熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能。上述對熱力學第二定律的兩種表述是等價的，由一種表述的正確性完全可以推導出另一種表述的正確性。湯姆遜隨后1851年發(fā)表了“熱的動力理論”對熱力學第二定律作了比克勞修斯更加明確的論述，可以說是他把熱力學第二定律的研究引向了深入，然而他卻公正地寫道：“我提出這些說法并不無意于爭奪優(yōu)先權，因為首先發(fā)表用正確原理建立命題的是克勞修斯，他去年

5、(指1850年5月)就發(fā)表了自己的證明我只要求補充這樣一句：恰好在我知道克勞修斯宣布或證明了這個命題之前，我也給出了證明?！睙崃W第二定律就此得以建立。二、熱力學第二定律的含義在提出熱力學第二定律的同時，克勞修斯還提出了熵的概念S=Q/T，在孤立系統(tǒng)中，可逆過程的系統(tǒng)的熵總保持不變；不可逆過程的系統(tǒng)的熵總是增加的，在一個孤立系統(tǒng)內(nèi)，熵的變化總是大于或等于零，也就是說，孤立系統(tǒng)的運動變化過程總是沿著使熵增大的方向進行，最后的平衡狀態(tài)則對應于熵的最大可能值。這個規(guī)律叫做。則熵作為描述熱力學系統(tǒng)的重要態(tài)函數(shù)之一，它的大小反映系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定情況，它的變化指明熱力學過程進行的方向，熵為熱力學第二定律

6、提供了定量表述。三、熱力學第二定律的應用熱力學第二定律，不僅僅是熱學中的重要定律，它同時廣泛的應用于生活的各個領域，是一項偉大的定律。1 對時間流逝的理解：我們知道, 熱力學第二定律是自然界所有單向變化過程的共同規(guī)律，而時間的變化就是一個單向的不可逆過程，早在1851年開爾文就根據(jù)熱力學第二定律推測宇宙內(nèi)所有的變化都會沿著有去無回的方向進展，他提出“時間是有箭頭的”，因此可以說：時間的方向，就是熵增加的方向。這樣，熱力學第二定律就給出了時間箭頭。既然熵值只增不減，那么熵值最低的時候也就是一切變化開始的源頭，即宇宙的起點。由于熵值越來越大，最終一切能量的分布會達到平衡狀態(tài)，此時根據(jù)熱力學第二定律

7、，所有的能量傳遞都將終止，所有做功的能量此時已經(jīng)耗盡，也就是達到了宇宙的終點。由此，熱力學第二定律給了我們一個對宇宙發(fā)展、時間流逝的合理解釋時間的流逝是生命活動的本質(zhì)之一，生命的發(fā)展本就是以時間為軌道一去不返的。進一步研究表明，能量守恒與時間的均勻性有關，即熱力學第一定律告訴我們，時間是均勻流逝的。這兩條定律合在一起，在時間的角度，我們能得出結(jié)論：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。2.熱機的應用：熱力學第二定律揭示了熱機必須工作于高溫熱源與低溫熱源之間，若只有一個熱源，則熱機效率等于零，表明不可能從單一熱源取熱做功而不產(chǎn)生其他影響；或者說，由于高溫熱源 不能無限提高，低溫熱源不能無限降低，因而

8、無法避免熱量由高溫熱源向低溫熱源的散失，實際熱機效率永遠小于1。表明熱不能完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響因此，提高熱機效率的關鍵在于盡量擴大兩個工作熱源的溫差熱力學第二定律所揭示的這一熱機原理具有最大的普遍性，因而可以說它是工業(yè)革命得以成功的最基礎的科學理論之一。熱力學第二定律還從理論上證明了制造永動機的不可能性。歷史上盡管有過許多人試圖找到一個一勞永逸的生括方式而制造永動機，但是無一成功。3.黑洞溫度的發(fā)現(xiàn)：1972年，30歲的英國青年物理學家霍金（S.Hawking，1942），提出了黑洞的“面積定理”。證明了黑洞的面積A隨時間變化只能增加，不能減少，即 。這個定理認為，物質(zhì)落入黑洞、兩個黑洞

9、相撞等導致黑洞面積增加的過程，是可以發(fā)生的。而一個黑洞分裂為兩個黑洞的情況，由于會導致黑洞面積減少，因而是不可能發(fā)生的。面積定理，不由使人想起熱力學中的“熵”。但是黑洞面積與熵是風馬牛不相及的兩種東西，這樣去聯(lián)想它們，是不是太荒唐了呢？幾乎與此同時，青年物理學家貝根斯坦和斯馬爾，各自獨立得出了關于黑洞的一個重要公式。這個公式把黑洞的一些參量組合成了類似于熱力學第一定律的形式（式中M、J、Q分別是黑洞的總質(zhì)量、總角動量、總電荷；A、V分別是黑洞的表面積、轉(zhuǎn)動角速度和表面上的靜電勢。k稱為黑洞的表面重力）此式與熱力學第一定律表達式（式中U、T、S分別是系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度和熵）非常相似。、J、V、Q等物理意義與前式類似。難道黑洞真的有溫度？為此人們進行了熱烈的爭論。1973 年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞專家聯(lián)名發(fā)表了一篇論文，聲稱可以模仿熱力學定律給出黑洞力學的定律，但黑洞的溫度不能看作真實溫度，因為黑洞沒有熱輻射( 不可能有任何物質(zhì)跑出黑洞) 。但是，幾個月后霍金就宣稱，他已證明，黑洞有熱輻射， 黑洞的溫度是真實的，其值為。