物理學學年論文

1、論文成績學年論文題 目 熱力學第二定律 姓 名 邱黃鵬 學 號 1010407020 專業(yè)年級 10級物理學七班 指導教師 歐陽生德 2012年 5 月 20 日熱力學第二定律摘要熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處(在自然狀態(tài)下)。它是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)。熱力學第二定律有兩種經(jīng)典表述，二者表述具有等效性。法國人尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾的研究（卡諾循環(huán)，卡諾定理）包含了熱力學第二定律的基本思想。熱力學第二定律揭示了實際宏觀過程的不可逆性。熱力學第二定律在科學發(fā)展上具有很

2、多的意義，也揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性。關(guān)鍵詞 熱力學第二定律，卡諾循環(huán)，意義, 不可逆，歷史發(fā)展引言 本論文主要是以大一學年，熱學課程為背景選材。熱力學第二定律是有關(guān)熱和功等能量形式相互轉(zhuǎn)化的方向與限度的規(guī)律，進而推廣到有關(guān)物質(zhì)的變化過程的方向與限度的普遍規(guī)律。熱力學第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。本論文主要是對熱力學第二定律的初步理解與分析。一、 熱力學第二定律的兩種經(jīng)典表述1. 開爾文-普朗克表述：不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其他影響。 解釋： （1）這里強調(diào)的是“不

3、留下其他任何變化”，是指對熱機內(nèi)部、外界環(huán)境及其他所有（一切）物體都沒有任何變化。 開爾文普朗特說法說明了熱轉(zhuǎn)化為功，必須要將一部分熱量轉(zhuǎn)給低溫物體（注意，這可是一個自發(fā)過程，高溫向低溫傳熱哦），也即必須要有一個“補償過程”為代價。 （2）熱全部轉(zhuǎn)化為功，是可以的，但必須要“留下其他變化”。如等溫過程中，熱可以全部轉(zhuǎn)變成功，但這時熱機內(nèi)部工質(zhì)的“狀態(tài)”變了（即工質(zhì)不能回到初始狀態(tài)。其實，這樣的熱機實際上是不存在的），是留下了變化的。2. 克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生任何其他影響。 解釋： （1）這里需要強調(diào)的是“自發(fā)地、不付代價地”。我們通過熱泵裝置是可以實現(xiàn)“將熱

4、從低溫物體傳向高溫物體的”，但這里是付出代價的，即以驅(qū)動熱泵消耗功為代價，是“人為”的，是“強制”的，不是“自發(fā)”的。所以，非自發(fā)過程，如熱從低溫物體傳向高溫物體，必須同時要有一個自發(fā)過程為代價（這里是機械能轉(zhuǎn)化為熱能）為補償，這個過程叫“補償過程”。 （2）非自發(fā)過程（如熱從低溫物體傳向高溫物體）能否進行，還要看花的“代價”是否夠，就是總系統(tǒng)（孤立系）的熵必須是增加的，或可逆下總熵不變。也就是說，如果投入的“代價”不夠的話，非自發(fā)過程是不能進行的，或是進行得不夠徹底（不能達到預(yù)計的狀態(tài)）。孤立系總熵變不小于零，非自發(fā)過程才有可能進行。3. 兩種表述的關(guān)系 兩種等效性的證明： 應(yīng)用反證法。 假

5、設(shè)開爾文（以下簡稱開氏）說法成立，而克勞修斯（以下簡稱克氏）不成立（即熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體而不留下其他變化）。 （1）按照開氏說法，一熱機有兩個熱源工作在溫度為T1、T2兩個熱源之間，并從高溫熱源T1吸熱Q1，對外做功W并向冷源T2放熱Q2，顯然Q1=W+Q2。 （2）若克氏說法不成立，即可從低溫熱源T2自發(fā)向高溫熱源T1傳熱，并假定傳熱量為Q2。 （3）現(xiàn)在，將上述二者合在一起，形成一個新的熱機，并考察綜合效果，得出的結(jié)論是：新熱機從單一熱源T1吸收熱量(Q1-Q2)，并對外做功W，外界與新熱機均無變化。這顯然違背了開氏說法。 所以，若克氏說法不成立，必然導致開氏說法也不成立

6、。同理也可以證明，若克氏說法成立，而開氏說法不成立，同樣也導致克氏說法也不成立。 由此可知，如果假定某一說法不成立就必然導致另一說法也不成立，但這違背了假設(shè)條件：開氏說法成立而克氏說法不成立的假設(shè)。 因此，開氏說法成立，克氏說法也成立，二者等效。二、 卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）是一個特別的熱力學循環(huán)，使用在一個假想的卡諾熱機上，由法國人尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾于1824年提出，克拉珀龍于1830年代至1840年代擴充，是為了找出熱機的最大的工作效率而分析熱機的工作過程。圖一：1824年繪制的卡諾機示意圖圖二：卡諾循環(huán)的溫度熵作圖。圖三：卡諾

7、循環(huán)的壓力體積作圖。圖四：卡諾循環(huán)的溫度體積變化卡諾循環(huán)全由可逆過程組成，其中包括：§ 圖一AB、圖二12，可逆等溫膨脹：此等溫的過程中系統(tǒng)從高溫熱庫吸收了熱量且全部拿去作功。§ 圖一BC、圖二23，等熵（可逆絕熱）膨脹：移開熱庫，系統(tǒng)對環(huán)境做功，其能量來自于本身的內(nèi)能。§ 圖一CD、圖二34，可逆等溫壓縮：此等溫的過程中系統(tǒng)向低溫熱庫放出了熱量。同時環(huán)境對系統(tǒng)做正功。§ 圖一DA、圖二41，等熵（可逆絕熱）壓縮：移開低溫熱庫，此絕熱的過程系統(tǒng)對環(huán)境作負功，系統(tǒng)在此過程后回到原來的狀態(tài)。卡諾熱機的熱效率只取決于第一個狀態(tài)的溫度T1與第二個狀態(tài)的溫度T2，

8、以及從環(huán)境中吸收的熱量Q1和放出的熱量Q2，其熱效率=。因存在于現(xiàn)實中的熱機都是以不可逆循環(huán)來工作，現(xiàn)實中相同狀態(tài)下沒有任何熱機的效率可以達到以皆由可逆過程組成的可逆循環(huán)來工作的卡諾熱機的效率。根據(jù)熱力學第二定律，在相同的高、低溫熱源溫度T1與T2之間工作的一切循環(huán)中,以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理。卡諾循環(huán)具有極為重要的理論和實際意義。雖然，完全按照卡諾循環(huán)工作的裝置是難以實現(xiàn)的，但是卡諾循環(huán)卻為提高各種循環(huán)熱效率指明了方向和給出了極限值?？ㄖZ意義卡諾的研究具有多方面的意義。他的工作為提高熱機效率指明了方向；他的結(jié)論已經(jīng)包含了熱力學第二定律的基本思想，只是熱質(zhì)觀念的阻礙，他未能完全探

9、究到問題的最終答案。由于卡諾英年早逝，他的工作很快被人遺忘。后來，由于法國工程師克拉珀瓏（BPEClapeyron，17991864）在1834 年的重新研究和發(fā)展，卡諾的理論才為人們所注意?？死戥噷⒖ㄖZ循環(huán)在一種“壓（力）-容（積）圖”上表示出來，并證明卡諾熱機在一次循環(huán)中所做的功，其數(shù)值恰好等于循環(huán)曲線所圍的面積?？死戥嚨墓ぷ鳛榭ㄖZ理論的進一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。三、 熱力學中的不可逆性 在熱力學領(lǐng)域中，不可逆過程是相對可逆過程而言的，指的是在時間反演變換下只能單向進行的熱力學過程，這種熱力學過程所具有的性質(zhì)被稱作不可逆性。從熱力學角度而言，自然界中所有復雜的熱力學過程都具有宏觀上的不可逆

10、性。宏觀上不可逆性現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于，當一個熱力學系統(tǒng)復雜到足夠的程度，組成其系統(tǒng)的分子之間的相互作用使系統(tǒng)在不同的熱力學態(tài)之間演化；而由于大量分子運動的高度隨機性，分子和原子的組成結(jié)構(gòu)和排列的變化方式是非常難于預(yù)測的。熱力學狀態(tài)的演化過程需要分子之間彼此做功，在做功的過程中也伴隨有能量轉(zhuǎn)換以及由分子間摩擦和碰撞引起的一定熱量的流失和耗散，這些能量損失是不可復原的。克勞修斯熵與不可逆性十九世紀五十年代德國物理學家魯?shù)婪?#183;克勞修斯通過引入他的熵概念，首次在數(shù)學上量化解釋了熱力學過程的不可逆性?？藙谛匏箯臒釞C的效率出發(fā)，認識到正轉(zhuǎn)變（功轉(zhuǎn)變成熱量）可以自發(fā)進行，而負轉(zhuǎn)變（熱量轉(zhuǎn)變成功）作

11、為正轉(zhuǎn)變的逆過程卻不能自發(fā)進行。負轉(zhuǎn)變的發(fā)生需要同時有一個正轉(zhuǎn)變伴隨發(fā)生，并且正轉(zhuǎn)變的能量要大于負轉(zhuǎn)變，這實際是意味著自然界中的正轉(zhuǎn)變是無法復原的?？藙谛匏乖谒?854年的隨筆關(guān)于熱的力學理論的第二基礎(chǔ)定理的一個修正形式中有相關(guān)描述。玻爾茲曼對不可逆性的統(tǒng)計詮釋宏觀上具有大量分子數(shù)的熱力學系統(tǒng)的行為是具有統(tǒng)計性的，它受到同樣具有統(tǒng)計意義的熱力學定律的制約。而從微觀上看，單個分子的行為受到牛頓力學的制約，而包括牛頓力學在內(nèi)的所有基礎(chǔ)性物理定律都在時間反演下成立，也就是說單個分子的微觀行為，如單個分子的運動和碰撞是具有可逆性的。如此說來，如果一個低熵的熱力學系統(tǒng)隨時間演化而到達了高熵的平衡態(tài)，從單

12、個分子的微觀角度來看這種演化是可逆的，即每個分子都有可能通過時間反演變換下的運動回到初始狀態(tài)。然而對于整個具有大量分子數(shù)的宏觀系統(tǒng)而言這是不可逆的，這是由于分子數(shù)量龐大，很難找到這樣一種特殊情形能夠使所有分子都滿足回到初始狀態(tài)的條件。而對于具有高熵的平衡態(tài)而言，可能的分子組態(tài)數(shù)量遠比初始的低熵的分子組態(tài)數(shù)量多得多，從而在統(tǒng)計意義下，幾乎不可能出現(xiàn)這樣使熱力學系統(tǒng)獲得負熵的可逆過程。這就是奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼在十九世紀七十年代對不可逆性作出的統(tǒng)計詮釋,在他1877年10月的一篇名為熱的力學理論第二定律和概率計算或與熱平衡有關(guān)的幾個定律的論文中，他指出：“大多數(shù)情況下，初始狀

13、態(tài)也許是概率極小的伏態(tài)。系統(tǒng)由此向更大概率的狀態(tài)過渡，最后達到最概然狀態(tài)，即熱平衡狀態(tài)。若把這個觀點試用于熱力學第二定律，則通常稱為熵的這個量等同于這里所討論的狀態(tài)發(fā)生的概率?！睆倪@里的“熵等同于狀態(tài)發(fā)生的概率”這一概念出發(fā)，玻爾茲曼定義了所謂玻爾茲曼熵的概念，即熵正比于熱力學概率（分子組態(tài)數(shù)）的自然對數(shù)：其中k是玻爾茲曼常數(shù)，W是熱力學概率，即熱力學系統(tǒng)所有可能出現(xiàn)的分子組態(tài)數(shù)。四、 近年來對熱力學第二定律的質(zhì)疑熱力學第二定律是建立在對實驗結(jié)果的觀測和總結(jié)的基礎(chǔ)上的定律。雖然在過去的一百多年間未發(fā)現(xiàn)與第二定律相悖的實驗現(xiàn)象，但始終無法從理論上嚴謹?shù)刈C明第二定律的正確性。自1993年以來，De

14、nis J.Evans等學者在理論上對熱力學第二定律產(chǎn)生了質(zhì)疑，從統(tǒng)計熱力學的角度發(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2。而后G.M.Wang等人于2002在Physical Review Letters上發(fā)表了題為小系統(tǒng)短時間內(nèi)有悖熱力學第二定律的實驗證明3。從實驗觀測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)存熱力學的應(yīng)用，但必然將對未來熱力學的研究產(chǎn)生一定的影響。熱力學第二定律是宏觀定律，不是微觀定律，因此這里所說的“質(zhì)疑”，并不是對熱力學第二定律的質(zhì)疑，只是一種就像量子力學對牛頓力學一樣的補充。五、 熱力學第二

15、定律的意義熱力學第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。微觀意義一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 第二類永動機（不可能制成） 只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C。 因為第二類永動機效率為100%，雖然它不違法能量守恒定律，但大量事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱源，熱機要不斷地把吸取的熱量變成有用的功，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫物體，因此效率不會達到100%。第二類永動機違法了熱力學第二定律。參考文獻1. 恩里科 · 費米. 熱力學.

16、多佛. 1956年版.2. 趙凱華,羅蔚茵. 新概念物理教程：熱學. 高等教育出版社. 1992年版.3. 黃淑清, 聶宜如, 申先甲.熱學教程（第二版）.高等教育出版社. 1994年版.4. 郭奕玲, 沈慧君.清華大學出版社物理學史.2000年版.5. 龔昌德.熱力學與統(tǒng)計物理學.高等教育出版社.1984年版.懷化學院學年論文評分表學年論文題目：姓名學號系別專業(yè)評價指標指標內(nèi)涵分值評分選題質(zhì)量目標要求符合專業(yè)培養(yǎng)目標，體現(xiàn)綜合訓練基本要求20選題難度選題難易度適宜，體現(xiàn)教學計劃對本科教學環(huán)節(jié)所規(guī)定的要求工 作 量論文安排科學、合理，與學校計劃安排規(guī)定的完成時間吻合綜合實際有較高的理論價值或?qū)嶋H價值能力水平查閱文獻能運用多種手段查閱有關(guān)文獻資料，有一定的廣度30綜合運用知 識綜合運用知識能力強，能較系統(tǒng)地運用相關(guān)理論與知識解決實際問題方案設(shè)計研究方案設(shè)計科學、合理，能較好體現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標方法手