熱力學第二定律的建立及意義

1、玉溪師專滋報（自然科學版）1992年報期熱力學第二定律的建立及意義高斌本文擬介紹熱力學第二定律的建立過程，以及在建立熱力學第二定律的過程中，主要的 幾位物理學家所作的貢獻，戰(zhàn)后闡述熱力學第二定律建立的意義。-、熱力學第二定律的建立十八世紀，由于科學技術(shù)迅猛發(fā)展，法國入巴本（第一部蒸氣機的發(fā)明者）、英國人紐 可門發(fā)明的蒸氣機在英國煤礦業(yè)得到了普遍的使用，特別是到了十九世紀，瓦特改進了蒸氣 機以后，蒸氣機不僅在煤礦業(yè)，而且在工業(yè)、交通等行業(yè)也得到了廣泛的應用。熱機在各行 業(yè)大鈕的出現(xiàn)，給物理學家提出了許多急待解決的理論問題，比如，熱現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的？ 如何捉高熱機的效率？熱機的效率有沒有一個上限？

2、永動機能造成嗎？等等。首先對這些問題進行深入研究的，是法國的工程師、物理學家桑地卡諾（Sadi Car- notl796-1832 ）o卡諾通過對大晟熱機運動的研究，發(fā)現(xiàn)它的基本過程并不是以單純的形 式出現(xiàn)，而是被各種次要過程掩蓋住了。為了得出所有熱機的普遍原理，他撇開了一些次 要因素，類比水車.設計了一部理想熱機，誦過對這部理相熱機循環(huán)過程的分析、研究，在 熱質(zhì)守恒和第一類永動機不可能的基礎(chǔ)上得出了關(guān)于熱機效率的卡諾定理，他認為“一個可 逆循環(huán)所提供的效率是屐大的”，“單獨提供熱不足以給出推動力，必須還要有冷，沒有 冷，熱將是無用的”，“熱的動力與用來實現(xiàn)動力的介質(zhì)無關(guān)，動力的量僅由最終影響

3、熱素 傳遞的物體之間的溫度來確定”等等。從這些觀點不難歸納出以下兩點。a在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機，其效率都相等，與 工作介質(zhì)無關(guān)?？杀硎緸榭煽?耳；b在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機，其效率都不能大于 可逆熱機的效率?？杀硎緸榭煽啥豢蛇@兩點合起來，就是現(xiàn)在物理學中所稱的卡諾定理。從卡諾得出卡諾定理的過程中可 旬,他巳利用了熱力學第一定律，即能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律（也可表述為第一類永動機不可能 制成）接觸到了熱力學第一.定律，但遺憾的是他最終也沒能提出這兩定律，究其原因，主要 是由于他接受了錯誤的熱質(zhì)說觀點，把熱的傳遞類比于水的流動，認為“水

4、從高處往低處流 動的過程中，水可以對外界做功，而水的最不變。同樣，熱從高溫熱源傳遞到低溫熱源的過70程中，也可對外界做功，而熱質(zhì)也是不變的。”恩格斯在自然辯證法一書中就提到“桑 地卡諾差不多巳探究到問題的底蘊，而阻礙他完全解決這問題的，并不是事實材料的不足， 而是一個先入為主的錯誤理論”（指熱質(zhì)說）由此可以看出，錯誤的理論對科學研究的危害 是很大的?？ㄖZ在后期巳意識到了熱質(zhì)說的錯誤，表述了能雖守恒與轉(zhuǎn)化的思想（從他留下的筆記 和手稿可得知）但由于他于1842年，僅36歲時，不幸死于霍占L,使得他的思想未能及時發(fā)表 出來，后人無不為之惋惜。試想，如卡諾不要相信熱質(zhì)說，不要受到熱質(zhì)說的影響，以至于

5、 在研究中走了不少彎路，他定能對熱力學一、二定律的建立作出更大的貢獻°不至于只提出 卡諾定理；只接觸到熱力學的兩大定律，起到一個過渡的作用。正式提出熱力學第二定律的是英國物理學家湯姆遜（開爾文，William Thomson, 1824-1907 ）和徳國物理學家克勞修斯（Rudolf Emanuel Clausius, 18221888 ） o十九世紀中葉，在邁爾、焦耳、法拉弟等一些科學家的共同努力下，熱力學第一定禪巳 經(jīng)建立起來，并被認為是自然界中一條最基本的規(guī)律,它可表述為：自然界的一切物質(zhì)都具 冇能鍛，能駅有各種不同的形式，能夠從一個物體傳遞到另一個物體，從一種形式轉(zhuǎn)化為另

6、一種形式，在傳遞和轉(zhuǎn)化中，能量的數(shù)呈不變。如果以U、U?表示物質(zhì)轉(zhuǎn)化或傳遞前后的 能屋，以A表示外界對物質(zhì)所作的功，以Q表示物質(zhì)從外界吸收的熱量，則能呈的守恒與轉(zhuǎn) 化定律可表示為，U2-U, =Q + A湯姆遜在研究熱現(xiàn)象的過程中，發(fā)現(xiàn)焦耳等科學家建立的能駅守恒與轉(zhuǎn)化定律同卡諾的 熱機理論有點矛盾。按能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，工作在高溫熱源與低溫熱源間的熱機，當它向 外所做的功（-A）等于它從高溫熱源吸收的熱SQ,向低溫熱源放出的熱量為0,內(nèi)能變化 Uz-U,=o時，此熱機的效率可達到100 %°而按卡諾熱機理論，工作在高溫熱源與低溫熱 源間的熱機的效率以可逆熱機的效率為最大，而可逆熱機的

7、效率僅與高溫熱源與低溫熱源的溫度有關(guān)。且耳可=1-T 低，因而熱機的效率不可達到100%。事實上，在制造熱機的過程中，也并未造出過這樣高效率的熱機。那么，是不是由此可說能量守恒與轉(zhuǎn)化定律不完備 呢？不能這樣認為。因為定律是在眾多的實驗和實踐中總結(jié)出來的，并被公認了的規(guī)律。這只 能說明在熱機的問題中，存在著一條獨立于能鼠守恒與轉(zhuǎn)化定律之外的定律。開爾文正是看 到這點以后，在總結(jié)了其它一些實驗的基礎(chǔ)上于1851年在愛丁堡皇家學會會刊上發(fā)表了一篇 “論熱的動力理論”的論文，文中提出了一條普遍的更理。他表述為“利用無生命物質(zhì)的 作用，把物質(zhì)任何部分冷到比它周圍最冷的客體以下，以產(chǎn)生機械效應，這是不可能

8、的”這 就是開爾文關(guān)于熱力學第二定律的原始說法?，F(xiàn)在表述為“不可能從單一熱源吸取熱量，使 之完全變?yōu)橛杏玫墓Γ划a(chǎn)生其它影響”。在開爾文提出熱力學第二定律的同時，克勞修斯在研究熱現(xiàn)象的過程中，從另一角度也 提出了此定律?？藙谛匏狗治隽丝ㄖZ的理論，注意到了卡諾學說的正確核心和不足之處，于1850年發(fā)表 了題為“論熱的動力和由此得出的熱學理論的晉遍規(guī)律”論文，提出了自己的觀點，他認 為：卡諾提出的“有溫度差就能產(chǎn)生動力”，“熱星由一個物體傳遞到另一個冷體”是正確 的，但卡諾提出的“這種轉(zhuǎn)移并無熱的損失，而熱的駅保持不變”是錯誤的。克勞修斯認為 :“在功的產(chǎn)生過程中丿很可能有兩種過程同時發(fā)生，這就

9、是，從熱體吸收的熱疑，一部分 用來轉(zhuǎn)化為機械功，另一部分熱雖傳到了另一個冷體，并且從高溫熱源吸收的熱量和傳遞到低 溫熱源的熱量與所產(chǎn)生的功有確定關(guān)系，在一切由熱生功的情況中，有一個和產(chǎn)生的功成正 比的熱量被消耗，并且反之，通過消耗同樣數(shù)變的功也能產(chǎn)生同樣數(shù)鼠的熱雖。”后來開爾 文把克勞修斯的上述思想表述為臺不借助任何外界作用的自動機器把熱從一個物體傳到 另一個溫度缶它高的物體，這是不可能的”現(xiàn)在表述為“熱不能由低溫物體傳到高褊物體而 不引起其它變化”。這種表述稱為熱力學第二定律的克勞修斯表述。開爾文和克勞修斯從不同角度表述了熱力學第二定律，他們的兩種表述雖然形式不同， 但描述的實意是一樣的，用

10、反證法可證明兩種表述實際上是等價的?？藙谛匏乖谔岢鰺崃W第二定律的表述后，又對它進行了深入研究，于1854年發(fā)表了題 為“論熱的機械理論的第二定律的變化了的形式”論文，文中對熱力學第二定律又作了補 充，給出了一個最簡單，最一般的形式，即：對于任意的循環(huán)過程，0晉<0,式中，dQ為熱屋的變化，T為系統(tǒng)的溫度。=號適用于 可逆循環(huán)過程，V號適用于不可逆循環(huán)過程。到了 1865年克勞修斯由§晉-W 0式，又引出了一個新的重要的函數(shù)熾S,并規(guī)定ds=器-。引入躺以后，熱力學第二定律又可利用嫡概 念表述為爛増加原理，即*當熱力學系統(tǒng)從一平衡態(tài)經(jīng)絕熱過程到達另一平衡態(tài)時，它的埔永不減少，如

11、果過程是 可逆的，則爛的數(shù)值不變，如果過程是不可逆的，則爛的數(shù)值増加，可表示為'ds常此式為熱力學第二定律的數(shù)學表示。至此，經(jīng)過眾多物理學家的努力，熱力學第二定律才完整地建立起來。二、熱力學第二定律建立的意義/筆者把它們歸納為以下幾點*1、熱力學第二定律的建立，標志著熱力學這一學科的形成。熱力學第二定律建立以后，與熱力學第一定律一起構(gòu)成了熱力學的理論基礎(chǔ)，熱力學中 的公式、結(jié)論基本上都是在這兩定律的基礎(chǔ)上推導而得出的。2、熱力學第二定律的建立，促進了物理學的一些學科的形成和發(fā)展。玻怎茲曼在麥克斯韋理論的基礎(chǔ)上，把熱力學第二定律中爛的概念與分子運動的幾率定 蠱地聯(lián)系起來，得出了玻爾茲曼關(guān)

12、系。即S = kclnW其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，s是系統(tǒng)的爛， W是反映系統(tǒng)某宏觀狀態(tài)所包含的微觀狀態(tài)的數(shù)目多少的熱力學幾率。這天系表明了系統(tǒng)狀 態(tài)熱力學幾率越大，則炳越大；無序性也越大；爛增加反映了微觀粒子的無序性増加。后72© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx ed. httpWA來，吉布斯導物理學家在玻耳茲曼爛理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出了兩門新的學科一統(tǒng)計力學和非 平衡態(tài)物理。1973年，肯斯坦從經(jīng)典廣義相對論的角度引入了黑洞爛的概念，把熱力學第二定律推廣

13、成廣義熱力學第二定律，解決了黑洞理論中的一些問題，使黑洞熱力學成為科學家們?nèi)找骊P(guān) 注的課題，促進了天體物理學的發(fā)展。3、熱力學第二定律的建立，引出了一些爭論，推動了物埋學的發(fā)展比較著名的爭論，是關(guān)于宇宙前景的爭論。克勞修斯得出熱力學第二定律以后，把它推 廣到了整個宇宙。認為，由于宇宙是一個孤立系統(tǒng)，因此它就要滿足媽I增加原理，那么隨苕 宇宙的炳趨丁極大，宇宙將白發(fā)地由有序向無序發(fā)展，宇宙將達到熱平衡，也就是死亡。但 是，按達爾文的生物進化論，生物是由細胞從簡單到復雜越來越有序發(fā)展而成的，因此，在 發(fā)展方向上，克勞修斯的理論與達爾文的進化論就產(chǎn)生了矛盾，一個認為是退化的、消極 的。而另一個認為是

14、發(fā)展的、進化的。為解決這一矛盾,度使科學界爭論不休，使科孕家大 為棘手，直到本世紀六十年代，比利時物理、化學家普利高律創(chuàng)立了耗散結(jié)構(gòu)理論后，才使 這矛盾獲得解決。普利薛律認為：非平衡有序之源，一個開放系統(tǒng)1冇物質(zhì)、能量的交換， 爛的變化ds可分為兩部分，即ds = doS + dj sdeS是爛通過系統(tǒng)邊界的傳輸，小S是系統(tǒng)內(nèi) 部所產(chǎn)生的爛。而由熱力學第二定律，diS 永遠大于零，而deS可以大于或等于零，即 隨著時間的推移，系統(tǒng)的爛可以減少，因而 系統(tǒng)可由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)變化。這樣， 在不違背熱力學第二定律的基礎(chǔ)上，通過引 入負埔流來抵消摘產(chǎn)生，說明系統(tǒng)可從無序向新的有序轉(zhuǎn)化，從而解決了克

15、勞修斯的退化說與 達爾文進化論之間的矛盾，把它們統(tǒng)一起來。4、熱力學第二定律建立后，它的影響巳超出了物理學范疇，波及到了其它學科。1948年，仙衣把熱力學第二定律中爛的槪念引入信息論中，把它作為一個隨機事件的不確 定性或信息呈的鈕度，從而奠定了現(xiàn)代信息論的科學理論展礎(chǔ)，大大促進了信息論的發(fā)展。 近代，為研究化學反應中化學能與其它形式能覽的轉(zhuǎn)化以及各種化浮過程進行的條件和方向 等問題，也把熱力學第二定律引進了化學，形成了化學的一門學科一熱力學化學。也促進了 化學的發(fā)展?？傊瑹崃W第二定律的應用，現(xiàn)巳遠遠超出物理學范疇，直接或間接地 滲入到信息論、控制論、概率論、宇宙論，化學、地理甚至生命等各個

16、不同的領(lǐng)域，促進了 這些領(lǐng)域的發(fā)展。5、熱力學第二定律的建立，揭示了時間的不可逆性、方向性。以前的經(jīng)典物俚和鈕子力學都認為時間是可逆的，如牛頓方程和薛定謁方程中用-t代 瞽t方稈本身沒有變化，說明了時間顯可逆的，過去和未來沒冇反別，但人們在現(xiàn)實生活 中，卻感到“時間一去不復返” “人從小到大，決不會返老還童”說明時間是有方向的。熱 力學第二定律是物理學中第一個描述了時間不可逆性匝理的規(guī)律。736、熱力學第二定律的建立，引出了一些新的概念，使人們認識社會自然的程度又更進 了 一層。熱力學第二定律的建立和它的一些推廣應用，給科學界提出了諸如炳、可逆性、不可逆 性、穩(wěn)定態(tài)、平衡態(tài)、有序、無序等一些新

17、的概念，使入們探索、改造自然又多了 一種工 具，認識自然的程度又進了一層，不少科學家都認為，熱力學第二定律是自然界的基本規(guī)律 之一，而由它引出的埔概念完全可以與生物學中提出進化的概念相媲美。由此可知，熱力學 第二定律對以后科學的推動是巨大的。參考文獻(1)物理學史簡明教程陳統(tǒng)芳、鄒延肅 北京師范大學出版社。<2)物理學史教程巾先甲等 湖南教育出版社。(3) 熱學李椿等 人民教育出版社。(4) 熱力學與統(tǒng)計物理馬本坤等 窩等教育出版社。(5 )統(tǒng)計物理學進展郝柏林、于泳等 科學出版社。(6力學熱學專輯 大學物理編輯部。(7 )普里奇律與耗散結(jié)構(gòu)理論湛墾華、沈小峰等。(接上第69頁)“9”證法*Z2 =AD = CDZ2= ZA)=»AD= BD= CDZB + ZA