《熱力學的建立及感想》.doc

1、精品文章熱力學的建立及感想熱力學第二定律是在能量守恒定律建立后不久建立起來的，它的建立與19世紀20年代卡諾對于熱機的研究有著密切的關(guān)系?？ㄖZ在探索提高熱機效率的研究工作中，抓住了熱機的本質(zhì)，撇開了各種次要因素，抽象出一個僅僅工作于一個高溫熱源和一個低溫熱源（冷源）間的理想熱機（卡諾熱機），他把這樣一個熱機比擬為水輪機：“我們可以足夠確切地把熱的動力比之于瀑布瀑布的動力取決于液體的高度和液體的量；而熱的動力同樣取決于所用熱質(zhì)的量以及熱質(zhì)的下落高度，即交換熱質(zhì)的兩物體之間的溫度差?！笨ㄖZ所處的時代正是熱質(zhì)說占統(tǒng)治地位的時代，卡諾的這段話也是熱質(zhì)說的反映?，F(xiàn)在看起來當然是不對的，但是他得到的結(jié)論卻

2、是正確的：“單獨提供熱不足以給出推動力，還必須要冷。沒有冷，熱將是無用的?！彼呀?jīng)接觸到了熱力學第二定律的邊緣。英國物理學家開爾文（原名湯姆遜）在研究卡諾和焦耳的工作時，發(fā)現(xiàn)了某種不和諧：按照能量守恒定律，熱和功應該是等價的，可是按照卡諾的理論，熱和功并不是完全相同的，因為功可以完全變成熱而不需要任何條件，而熱產(chǎn)生功卻必須伴隨有熱向冷的耗散。他在1849年的一篇論文中說：“熱的理論需要進行認真改革，必須尋找新的實驗事實?！蓖瑫r代的克勞修斯也認真研究了這些問題，他敏銳地看到不和諧存在于卡諾理論的內(nèi)部。他指出卡諾理論中關(guān)于熱產(chǎn)生功必須伴隨著熱向冷的傳遞的結(jié)論是正確的，而熱的量（即熱質(zhì)）不發(fā)生變化則

3、是不對的。克勞修斯在1850年發(fā)表的論文中提出，在熱的理論中，除了能量守恒定律以外，還必須補充另外一條基本定律：“沒有某種動力的消耗或其他變化，不可能使熱從低溫轉(zhuǎn)移到高溫?！边@條定律后來被稱作熱力學第二定律?？藙谛匏沟谋硎鲈诂F(xiàn)代教科書中一般表述為：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。第二年（1851年）開爾文提出了熱力學第二定律的另一種表述方式，開爾文的表述在現(xiàn)代教科書中一般表述為：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其他影響。開爾文的表述更直接指出了第二類永動機的不可能性。所謂第二類永動機，是指某些人提出的例如制造一種從海水吸取熱量，利用這些熱量做功的機器。這

4、種想法，并不違背能量守恒定律，因為它消耗海水的內(nèi)能。大海是如此廣闊，整個海水的溫度只要降低一點點，釋放出的熱量就是天文數(shù)字，對于人類來說，海水是取之不盡、用之不竭的能量源泉，因此這類設想中的機器被稱為第二類永動機。而從海水吸收熱量做功，就是從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用功并且不產(chǎn)生其他影響，開爾文的說法指出了這是不可能實現(xiàn)的，也就是第二類永動機是不可能實現(xiàn)的。因此熱力學第二定律的開爾文表述也可簡述為：第二類永動機是不可能造成的。克勞修斯和開爾文關(guān)于熱力學第二定律的表述是完全等價的，他們都是指明了自然界宏觀過程的方向性，或不可逆性?？藙谛匏沟恼f法是從熱傳遞方向上說的，即熱量只能自發(fā)地從高溫物

5、體傳向低溫物體，而不可能從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。這里“不引起其他變化”是很重要的。利用致冷機就可以把熱量從低溫物體傳向高溫物體，但是外界必須做功。開爾文的說法則是從熱功轉(zhuǎn)化方面去說的。功完全轉(zhuǎn)化為熱，即機械能完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能可以的，在水平地面上運動的木塊由于摩擦生熱而最終停不來就是一個例子。但反過來，從單一熱源吸取熱量完全轉(zhuǎn)化成有用功而不引起其他影響則是不可能的。所謂“單一熱源”，是指溫度均勻并且保持恒定的熱源，如果熱源的溫度不是均勻的，則可以從溫度較高處吸收熱量，又向溫度較低處放出一部分，這就等于工作在兩個熱源之間了。所謂“不產(chǎn)生其他影響”，是指除了從單一熱源吸熱，這些熱量全部

6、用來做功以外，其他都沒有變化。如果沒有“不產(chǎn)生其他影響”這個限制，從單一熱源吸熱而全部轉(zhuǎn)化為功是可以做到的，例如理想氣體在等溫膨脹過程中，氣體從熱源吸熱而膨脹做功，由于這過程中理想氣體保持溫度不變，而理想氣體又不考慮分子勢能，因此氣體的內(nèi)能保持不變，從熱源吸收的熱量就全部轉(zhuǎn)化成了功，但是這過程中氣體的體積膨脹了，因此不符合“不產(chǎn)生其他影響”的條件。下面我們從反面來說明這兩種說法的確是等價的：如果我們否定克勞修斯的說法，認為熱量可以自發(fā)地從低溫物體b傳向高溫物體a，見圖41（a）的示意圖，設這個熱量為q，我們再設想有一個卡諾熱機，從高溫熱源a吸取熱量q，一部分轉(zhuǎn)化為有用功w，另一部分q傳給了低溫

7、熱源b，這樣的整個過程中，高溫熱源a沒有發(fā)生變化，相當于只從低溫熱源b吸收了（qq）的熱量而全部轉(zhuǎn)化為有用功，而不產(chǎn)生其他影響，從而開爾文的說法也就被否定了。反過來，如果我們否定了開爾文的說法，認為可以從單一熱源a吸取熱量，全部轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響，見圖41（b）的示意圖，設這部分熱量為q1，做的有用功為w1（q1w1），我們再設想這部分有用功是帶動一個理想的致冷機工作，它從另一個低溫熱源b處吸收熱量q2，向熱源a放出熱量q1，則滿足q1=q2w1，而q1=w1，所以q1=q2q1。這樣，總的效果相當于從低溫熱源b處吸收了熱量q。，向高溫熱源a放出的熱量q1，在補償了q1以后，正好也是q2，這就等于熱量q。自發(fā)地從低溫熱源b傳向了高溫熱源地并沒有發(fā)生其他變化，這就否定了克勞修斯的說法。以上我們從正反兩個方面說明了關(guān)于熱力學第二定律的兩種說法是等價的，它們都是關(guān)于自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程的進行方向的規(guī)律。其實，熱力學第二定律還可以有其他很多種不同的表述方式。例如我國有一句成