熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵

熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵

熱學(xué)第二定律是多年來作者提出的物理規(guī)律。我詳細(xì)解釋了現(xiàn)行教材中這一規(guī)律，并認(rèn)真重復(fù)了這一規(guī)律，但我對(duì)力學(xué)的第二定律有著深刻的內(nèi)涵。我仍然懷疑，我也沒有心中的基礎(chǔ)。最近，作者仔細(xì)研究了靜態(tài)和可逆性這兩個(gè)基本的熱學(xué)概念，并發(fā)現(xiàn)它們與熱學(xué)第二定律之間存在著內(nèi)在的本質(zhì)關(guān)系。這使得作者對(duì)熱學(xué)第二定律的理解質(zhì)的飛躍。本文是學(xué)習(xí)過程的總結(jié)，希望給讀者提供一些啟發(fā)，并給讀者提供建議。1影響力學(xué)過程平衡的諸因素由初中物理熱機(jī)知識(shí)可以知道,熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化必須通過熱機(jī)內(nèi)工作物質(zhì)(如油氣、混合物)的狀態(tài)變化過程才能完成.顯然,在實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行的這些過程都必然很復(fù)雜.首先,一切過程都是平衡被破壞的結(jié)果.工作物質(zhì)和外界有了熱和力的不平衡才促使工作物質(zhì)向新的狀態(tài)變化,故實(shí)際過程都應(yīng)當(dāng)是不平衡過程.若過程進(jìn)行的相對(duì)緩慢,工作物質(zhì)在平衡破壞后自動(dòng)回復(fù)平衡時(shí)間又很短,工作物質(zhì)有足夠時(shí)間恢復(fù)平衡,隨時(shí)都不致顯著偏離平衡態(tài),那么我們可以將這個(gè)過程看成似平衡過程,熱學(xué)中稱之為準(zhǔn)靜態(tài)過程.以上我們粗略勾落了準(zhǔn)靜態(tài)過程的概貌,為后續(xù)內(nèi)容,我們?cè)僖詺怏w膨脹為例詳細(xì)闡述影響熱力學(xué)過程平衡的諸因素.1.1氣體壓力差作用下的準(zhǔn)平衡過程如圖1所示,氣缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體,其狀態(tài)參量為p1,v1,T1,取氣體為熱力學(xué)系統(tǒng).若氣體對(duì)活塞的作用力p1A等于外界作用力p外1·A和活塞與氣缸壁摩擦力Fμ之和,則活塞靜止不動(dòng),氣體的平衡狀態(tài)可用圖中點(diǎn)1表示.若外界施加的作用力突然減小為p外2·A,使之與摩擦力之和小于p1.A時(shí),活塞兩邊的力不平衡,氣體將推動(dòng)活塞右行.在右行過程中,接近活塞的一部分氣體首先膨脹,因此這一部分氣體具有較小的壓強(qiáng),溫度也會(huì)和遠(yuǎn)離活塞的氣體有所不同,這就造成了氣體內(nèi)部的不平衡.不平衡的后果,造成氣體內(nèi)部質(zhì)量和能量的遷移.最終氣體各部分又趨向一致,并且在活塞終止于某位置時(shí)氣體和外界間重新建立平衡,其狀態(tài)如圖中點(diǎn)2.如外界壓力再減小為p外3,則活塞繼續(xù)右行,達(dá)到新的平衡狀態(tài)了.氣體在1、2、3是平衡狀態(tài),而當(dāng)氣體由1→2由2→3時(shí),中間經(jīng)歷的過程則是不平衡的.這樣由1→2→3過程就是非平衡過程.外界作用力每次改變量越大,造成氣體內(nèi)部的不平衡性愈顯著.但當(dāng)外界作用力只改變一個(gè)微量,而且每兩次改變時(shí)間又大于回復(fù)氣體平衡的時(shí)間,則氣體每次偏離平衡狀態(tài)極少,而且又很快恢復(fù)平衡,在整個(gè)過程中氣體好像始終沒有離開平衡狀態(tài),此時(shí)的過程就是準(zhǔn)靜態(tài)過程.由此可見,氣體在壓力差作用下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程條件是:1.2氣體和熱源的相互作用在平衡過程中還需熱的平衡,即氣體的溫度也必須時(shí)刻一致.為此,在過程中氣體的溫度與氣缸壁和活塞一致.假若氣缸壁與溫度較高的熱源相接觸,則接近氣缸壁的氣體將首先升溫,并引起壓強(qiáng)升高,造成氣體內(nèi)部不平衡.隨著分子的熱運(yùn)動(dòng)和氣體的宏觀運(yùn)動(dòng),這種影響再逐漸擴(kuò)大到全部.此時(shí)若外界作用力保持不變,則由于氣體壓力的增大將推動(dòng)活塞右行,其現(xiàn)象同力不平衡造成的結(jié)果.這一變化將進(jìn)行到氣體各部分都達(dá)到熱源的溫度,壓力達(dá)到外界平衡時(shí)的壓力,體積則對(duì)應(yīng)于新的溫度和壓力下的數(shù)值,而后處于新的平衡.顯然,中間經(jīng)過的各狀態(tài)均不平衡,這樣的過程也是不平衡過程.只有當(dāng)傳熱時(shí)熱源和氣體溫度始終保持相差為無限小時(shí),其過程才是準(zhǔn)平衡的,因此,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過程溫度條件為:熱的平衡和力的平衡是相互聯(lián)系的,只有氣體和外界的壓差又溫差均為無限小時(shí)過程才是準(zhǔn)靜態(tài)過程.如果在過程中還有其他因素存在,還必須加上其它條件才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程.另外,只有準(zhǔn)靜態(tài)過程才能在坐標(biāo)圖上用連續(xù)的曲線表示.2工作物質(zhì)膨脹什么是可逆過程?可逆過程是在準(zhǔn)靜態(tài)過程基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)的概念,為具體起見,下面以圖2為例說明之.圖2是由工作物質(zhì)、機(jī)器(包括氣缸、活塞和飛輪)和熱源組成的系統(tǒng).設(shè)工作物質(zhì)經(jīng)1→3→4→5→6→7→2進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)過程,體積由V1膨脹到V2,同時(shí)自熱源吸熱.因在準(zhǔn)靜態(tài)過程中工作物質(zhì)隨時(shí)與熱源保持熱和力的平衡,熱源與工作物質(zhì)的溫度隨時(shí)相等,工作物質(zhì)對(duì)外界的作用力與外界的反抗力也應(yīng)隨時(shí)相等.若沒有任何摩擦,則上述過程就隨時(shí)可以無條件逆行,使外力壓縮工作物質(zhì)同時(shí)向熱源放熱.若過程是非準(zhǔn)靜態(tài)的,則當(dāng)進(jìn)行膨脹過程時(shí),工作物質(zhì)的作用力一定大于反抗力,此時(shí)若不改變外力大小就不能用這較小反抗力壓縮工作物質(zhì)回行.同樣,當(dāng)工作物質(zhì)從高過自身的熱源吸熱時(shí),自然不再能讓溫度較低的工作物質(zhì)向同一熱源放熱而使過程逆行.在上述準(zhǔn)靜態(tài)膨脹過程中,工作物質(zhì)膨脹作功之一部分克服摩擦而耗散為熱;另一部分通過活塞、連桿系統(tǒng)傳給飛輪,以動(dòng)能形態(tài)儲(chǔ)存于飛輪之中;余下部分用于因氣體膨脹體積增大,通過活塞移動(dòng)排斥大氣作功.假如工作物質(zhì)內(nèi)部及機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件之間無摩擦等損耗,則工作物質(zhì)所作的膨脹功除用于排斥大氣外全部存儲(chǔ)于飛輪中,此時(shí)若利用飛輪動(dòng)能來推動(dòng)活塞逆行,將工作物質(zhì)沿2→7→6→5→4→3→1壓縮,由于活塞逆行時(shí)大氣通過活塞對(duì)工作物質(zhì)作功與前述排斥大氣耗功相等,故壓縮工作物質(zhì)所消耗功恰與膨脹過程氣體作功相等.此外,在壓縮過程工作物質(zhì)排給熱源之熱量也恰好等于膨脹時(shí)所吸收的熱量.因此當(dāng)工作物質(zhì)回復(fù)原態(tài)1時(shí),機(jī)器與熱源也都回復(fù)到原來狀態(tài),也就是工作物質(zhì)及過程牽涉到的外界全部恢復(fù)到原來狀態(tài)而不留下任何變化.據(jù)上述分析,可以定義,當(dāng)完成某一過程后,如果有可能使工作物質(zhì)沿另一過程回到原來狀態(tài),并使外界亦回復(fù)到原來狀態(tài)而未留下任何改變,則這個(gè)過程就叫可逆過程,不滿足上述條件的過程為不可逆過程.3熱風(fēng)冷熱源熱壓的自發(fā)過程與熱法等自發(fā)過程的關(guān)系自然界的一切自然過程是否可逆呢?人們?cè)趯?shí)踐過程中逐步認(rèn)識(shí)到,除了無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程外,一切自發(fā)過程都是不可逆的.舉例來說,熱量自高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩匆约皺C(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能等自發(fā)過程,雖然我們可以使熱量由低溫?zé)嵩捶祷馗邷責(zé)嵩?也可以將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,但我們必須付出一定代價(jià)或者不可能使過程涉及到的系統(tǒng)及外界均回復(fù)到原態(tài).另外,我們還可以證明,自然界一切自發(fā)過程的不可逆是相通的.正是認(rèn)識(shí)到自然界