大學(xué)物理小論文(共6頁(yè))

1、大學(xué)物理論文(lnwn)關(guān)于熱力學(xué)第二定律的理解(lji)與思考 姓名(xngmng)：邵培權(quán)班級(jí)：14光伏材料 學(xué)號(hào)：1403020039 在發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上，說(shuō)明了一切的熱力學(xué)過(guò)程必須遵守能量守恒和轉(zhuǎn)換定律，但是不是滿(mǎn)足了能量守恒定律的過(guò)程就一定能夠進(jìn)行。人們經(jīng)行了大量的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際中自發(fā)進(jìn)行熱力學(xué)過(guò)程都具有方向性，并不是滿(mǎn)足能量守恒定律就一定能夠自然(zrn)發(fā)生。于是，在這種情況下，熱力學(xué)第二定律漸漸的浮出水面，綻放出它耀眼奪目的光彩。 自然界的一切實(shí)際熱力學(xué)過(guò)程都是按一定的方向進(jìn)行的，反方向的逆過(guò)程是不可能自動(dòng)進(jìn)行的。在一定條件下不需要外來(lái)作用，任其自然就能自動(dòng)

2、發(fā)生的過(guò)程，稱(chēng)為自發(fā)過(guò)程。例如熱由高溫物體傳給低溫物體，鋅片放入硫酸銅溶液中后銅就析出，氣體向真空膨脹，導(dǎo)體中的電流從高電勢(shì)端流向低電勢(shì)端，水從高水位流向低水位等等，都是自發(fā)過(guò)程。而那些需要借助外來(lái)作用才能發(fā)生的過(guò)程，稱(chēng)為非自發(fā)過(guò)程。例如電解水產(chǎn)生氫氣(qn q)和氧氣，需要環(huán)境対系統(tǒng)做電功，就是非自發(fā)過(guò)程。 從表面來(lái)看，似乎各種不同的自發(fā)過(guò)程有著不同的決定因素(yn s)。例如熱總是自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體，直到兩物體的溫度相等為止，溫度是決定過(guò)程方向和限度的因素。導(dǎo)體中的電流總是自發(fā)地從高電勢(shì)端流向低電勢(shì)端，直到導(dǎo)體中各處的電勢(shì)都相等為止，電勢(shì)是決定過(guò)程方向和限度的因素。水總是自發(fā)地從

3、高水位流向低水位，直到各處水位都相等為止，水位高低是決定過(guò)程方向和限度的因素。氣體總是自發(fā)地從高壓處流向低壓處，直到系統(tǒng)中各處的壓力都相等為止，壓力是決定過(guò)程方向和限度的因素。 在人們大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，人們總結(jié)出自然過(guò)程的方向性，分別是功熱轉(zhuǎn)換的方向性，熱傳導(dǎo)的方向性，氣體(qt)絕熱自由膨脹的方向性。實(shí)際中，功全部轉(zhuǎn)化成熱的過(guò)程是可以自發(fā)進(jìn)行的，但唯一(wi y)效果是熱全部轉(zhuǎn)化為功的過(guò)程是不可能發(fā)生的。熱傳導(dǎo)的方向性。兩個(gè)溫度不同的物體相接觸(jich)，熱量可以自動(dòng)地從高溫物體傳向低溫物體，直到達(dá)到溫度相等的熱平衡態(tài)。此過(guò)程的逆過(guò)程卻不能夠自發(fā)的進(jìn)行，即熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物

4、體，從而使高溫物體溫度的更高，低溫物體的溫度更低，雖然這樣的傳遞不違反能量守恒定律。氣體絕熱自由膨脹的方向性。即氣體可以自發(fā)的向真空膨脹從而占據(jù)更大的體積的狀態(tài)自動(dòng)地收縮到體積較小的狀態(tài)而不引起其他變化。我們通過(guò)以上三個(gè)實(shí)際的熱力學(xué)過(guò)程的方向性的討論，歸納得到一個(gè)普遍性的結(jié)論，即熱力學(xué)過(guò)程都是按一定的方向進(jìn)行的，即不可逆，其逆過(guò)程是不能自動(dòng)發(fā)生的。我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置證明熱傳導(dǎo)的不可逆性和功變熱的不可逆性是相互依存的。同樣可以證明，理想氣體絕熱自由膨脹的不可逆性和功變熱的不可逆性也是等價(jià)的?？傊?，各種宏觀自然過(guò)程的不可逆性都是相互聯(lián)系的，只需要承認(rèn)一種宏觀自然過(guò)程的不可逆，就可以論證其他宏觀自

5、然過(guò)程的不可逆性。 德國(guó)科學(xué)家克勞修斯(Clausius)在1865年提出(t ch)“不可能把熱量從低溫物體傳向高溫(gown)物體而不引起其它變化。”開(kāi)爾文在1851提出(t ch)的不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。在克勞修斯的講法中，指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動(dòng)向高溫物體轉(zhuǎn)移，也就是說(shuō)在自然條件下，這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程是不可逆的。要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，只有靠消耗功來(lái)實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)爾文的講法中指出，自然界中任何形式的能都會(huì)很容易地變成熱，而反過(guò)來(lái)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，從而說(shuō)明了這種轉(zhuǎn)變?cè)谧匀粭l件下也是不

6、可逆的。熱機(jī)能連續(xù)不斷地將熱變成機(jī)械功，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過(guò)程進(jìn)行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。為了(wi le)進(jìn)一步的解釋?zhuān)瑹崃W(xué)第二定律，我們引入的熵的概念。 熱力學(xué)研究的是大量質(zhì)點(diǎn)集合的宏觀系統(tǒng)，熱力學(xué)能、焓和熵都是系統(tǒng)宏觀的物理量。熵是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)一定時(shí)，系統(tǒng)有確定(qudng)的熵值，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，熵值也要發(fā)生改變。熱力學(xué)第二定律(dngl)指出，凡是自發(fā)過(guò)程都是熱力學(xué)不可逆過(guò)程，而且一切不可逆過(guò)程都?xì)w結(jié)為熱功交換的不可逆性。從微觀角度來(lái)看，熱是分子混亂運(yùn)動(dòng)的一種表

7、現(xiàn)，而功是分子有秩序的一種規(guī)則運(yùn)動(dòng)。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬倪^(guò)程是規(guī)則運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，向系統(tǒng)無(wú)序性增加的方向進(jìn)行。因此，有序的運(yùn)動(dòng)會(huì)自發(fā)地變?yōu)闊o(wú)序的運(yùn)動(dòng)，而無(wú)序的運(yùn)動(dòng)卻不會(huì)自發(fā)地變?yōu)橛行虻倪\(yùn)動(dòng)。例如，低壓下的晶體恒壓加熱變成高溫的氣體。該過(guò)程需要吸熱，系統(tǒng)的熵值不斷增大。從微觀來(lái)看，晶體中的分子按一定方向、距離有規(guī)則的排列，分子只能在平衡位置附近振動(dòng)。當(dāng)晶體受熱熔化時(shí)，分子離開(kāi)原來(lái)的平衡位置，系統(tǒng)變?yōu)橐后w，系統(tǒng)的無(wú)序性增加。當(dāng)液體繼續(xù)受熱時(shí)，分子完全克服其它分子對(duì)它的束縛，可以在空間自由運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的無(wú)序性進(jìn)一步增加。因此，熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的一種度量，這就是熵的物理意義。當(dāng)系統(tǒng)的無(wú)序程度增大，系統(tǒng)的熵

8、值也增大。玻爾茲曼（Boltzmann）定量表述為公式，k稱(chēng)為玻爾茲曼常數(shù)。通過(guò)在上網(wǎng)看書(shū)等種種方式了解熱力學(xué)第二定律，發(fā)現(xiàn)至今為止仍熱有人對(duì)熱力學(xué)第二定律經(jīng)行質(zhì)疑。熱力學(xué)第二定律是建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)和總結(jié)的基礎(chǔ)上的定律。雖然在過(guò)去的一百多年間未發(fā)現(xiàn)與第二定律相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但始終無(wú)法從理論上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明第二定律的正確性。自1993年以來(lái)，Denis J.Evans等學(xué)者在理論上對(duì)熱力學(xué)第二定律產(chǎn)生了質(zhì)疑，從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的角度發(fā)表了一些關(guān)于“熵的漲落“的理論，比如其中比較重要的FT理論。而后G.M.Wang等人于2002在Physical Review Letters上發(fā)表了題為小系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)有悖熱力學(xué)第二定律的實(shí)驗(yàn)證明。從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度證明了在一定條件下熱，孤立系統(tǒng)的自發(fā)熵減反應(yīng)是有可能發(fā)生的。雖然這些新的發(fā)現(xiàn)不至于影響到現(xiàn)存熱力學(xué)的應(yīng)用，但必然將對(duì)未來(lái)熱力學(xué)的研究產(chǎn)生一定的影響。熱力學(xué)第二定律是宏觀定律，不是微觀定律，因此這里所說(shuō)的“質(zhì)疑”，并不是對(duì)熱力學(xué)第二定律的質(zhì)疑，只是一種就像量子力學(xué)對(duì)牛頓力學(xué)一樣的補(bǔ)充。對(duì)熱力學(xué)第二定律(dngl)的探索還沒(méi)有停止，仍然需要我們繼續(xù)努力。內(nèi)容總結(jié)（1）大學(xué)物理論文