熱力學(xué)第二定律的發(fā)展與應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上熱力學(xué)第二定律的發(fā)展和應(yīng)用引言：熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，它廣泛地應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科、生活領(lǐng)域。本文回顧了其建立的歷史背景及經(jīng)過，它的準(zhǔn)確的表述和含義，及它的一些應(yīng)用。一、熱力學(xué)第二定律的建立和表述在生產(chǎn)實(shí)踐中, 法國人巴本發(fā)明了第一部蒸汽機(jī), 其后經(jīng)瓦特改進(jìn)的蒸汽機(jī)在 19 世紀(jì)得到了廣泛應(yīng)用,隨著蒸汽機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中起著愈來愈重要的作用，但是關(guān)于蒸汽機(jī)的理論卻并未形成。人們在摸索和試驗(yàn)中不斷改進(jìn)著蒸汽機(jī)，經(jīng)過大量的失敗和挫折雖然一定程度地提高了機(jī)械效率，但人們始終不明白提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵是什么，以及效率的提高有沒有界限如果有，這個(gè)界限的值有多大這些問題成為當(dāng)

2、時(shí)生產(chǎn)領(lǐng)域中的重要課題。 19 世紀(jì) 20 年代, 法國陸軍工程師卡諾( S. Car not , 17961832) 從理論上研究了熱機(jī)的效率問題。他在他發(fā)表的論文“論火的動(dòng)力”中提出了著名的“卡諾定理”，找到了提高熱機(jī)效率的根本途徑。但卡諾在當(dāng)時(shí)是采用“熱質(zhì)說”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)來研究問題的。19 世紀(jì) 50 年代，威廉湯姆遜 ( William Thomson , 18241907) ( 即開爾文勛爵) 第一次讀到了克拉珀龍的文章, 對卡諾的理論留下了深刻的印象。湯姆遜注意到焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和卡諾建立的熱機(jī)理論之間有矛盾，焦耳的工作表明機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱，而卡諾的熱機(jī)理論則認(rèn)為熱在蒸汽機(jī)里并不

3、轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。本來湯姆遜有可能立即從卡諾定理建立熱力學(xué)第二定律，但由于他也沒有擺脫熱質(zhì)說的羈絆。錯(cuò)過了首先發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的機(jī)會(huì)。就在湯姆遜遇到研究瓶頸之際，克勞修斯于1850年率先發(fā)表“論熱的動(dòng)力及能由此推出的關(guān)于熱本性的定律”，“熱動(dòng)說”重新審查了卡諾的工作，考慮到熱傳導(dǎo)總是自發(fā)地將熱量從高溫物體傳給低溫物體這一事實(shí)，得出了熱力學(xué)第二定律的初次表述。后來歷經(jīng)多次簡練和修改，逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)行物理教科書中公認(rèn)的“克勞修斯表述”熱量可以自發(fā)地從較熱物體傳遞至較冷物體，但不能自發(fā)地較冷物體傳遞至較熱物體，即在自然條件下這個(gè)轉(zhuǎn)變過程是不可逆的，要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)，只有靠消耗功來實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，開爾文

4、也獨(dú)立地從卡諾的工作中得出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述，后來演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn)行物理教科書中公認(rèn)的“開爾文表述”不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響。也就是說：自然界中任何形式的能都可以變成熱，而熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能。上述對熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的，由一種表述的正確性完全可以推導(dǎo)出另一種表述的正確性。湯姆遜隨后1851年發(fā)表了“熱的動(dòng)力理論”對熱力學(xué)第二定律作了比克勞修斯更加明確的論述，可以說是他把熱力學(xué)第二定律的研究引向了深入，然而他卻公正地寫道：“我提出這些說法并不無意于爭奪優(yōu)先權(quán)，因?yàn)槭紫劝l(fā)表用正確原理建立命題的是克勞修斯，他去年

5、(指1850年5月)就發(fā)表了自己的證明我只要求補(bǔ)充這樣一句：恰好在我知道克勞修斯宣布或證明了這個(gè)命題之前，我也給出了證明。”熱力學(xué)第二定律就此得以建立。二、熱力學(xué)第二定律的含義在提出熱力學(xué)第二定律的同時(shí)，克勞修斯還提出了熵的概念S=Q/T，在孤立系統(tǒng)中，可逆過程的系統(tǒng)的熵總保持不變；不可逆過程的系統(tǒng)的熵總是增加的，在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)，熵的變化總是大于或等于零，也就是說，孤立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化過程總是沿著使熵增大的方向進(jìn)行，最后的平衡狀態(tài)則對應(yīng)于熵的最大可能值。這個(gè)規(guī)律叫做。則熵作為描述熱力學(xué)系統(tǒng)的重要態(tài)函數(shù)之一，它的大小反映系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定情況，它的變化指明熱力學(xué)過程進(jìn)行的方向，熵為熱力學(xué)第二定律

6、提供了定量表述。三、熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用熱力學(xué)第二定律，不僅僅是熱學(xué)中的重要定律，它同時(shí)廣泛的應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，是一項(xiàng)偉大的定律。1 對時(shí)間流逝的理解：我們知道, 熱力學(xué)第二定律是自然界所有單向變化過程的共同規(guī)律，而時(shí)間的變化就是一個(gè)單向的不可逆過程，早在1851年開爾文就根據(jù)熱力學(xué)第二定律推測宇宙內(nèi)所有的變化都會(huì)沿著有去無回的方向進(jìn)展，他提出“時(shí)間是有箭頭的”，因此可以說：時(shí)間的方向，就是熵增加的方向。這樣，熱力學(xué)第二定律就給出了時(shí)間箭頭。既然熵值只增不減，那么熵值最低的時(shí)候也就是一切變化開始的源頭，即宇宙的起點(diǎn)。由于熵值越來越大，最終一切能量的分布會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)熱力學(xué)第二定律

7、，所有的能量傳遞都將終止，所有做功的能量此時(shí)已經(jīng)耗盡，也就是達(dá)到了宇宙的終點(diǎn)。由此，熱力學(xué)第二定律給了我們一個(gè)對宇宙發(fā)展、時(shí)間流逝的合理解釋時(shí)間的流逝是生命活動(dòng)的本質(zhì)之一，生命的發(fā)展本就是以時(shí)間為軌道一去不返的。進(jìn)一步研究表明，能量守恒與時(shí)間的均勻性有關(guān)，即熱力學(xué)第一定律告訴我們，時(shí)間是均勻流逝的。這兩條定律合在一起，在時(shí)間的角度，我們能得出結(jié)論：時(shí)間在向著特定的方向均勻地流逝著。2.熱機(jī)的應(yīng)用：熱力學(xué)第二定律揭示了熱機(jī)必須工作于高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g，若只有一個(gè)熱源，則熱機(jī)效率等于零，表明不可能從單一熱源取熱做功而不產(chǎn)生其他影響；或者說，由于高溫?zé)嵩?不能無限提高，低溫?zé)嵩床荒軣o限降低，因而

8、無法避免熱量由高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩吹纳⑹?，?shí)際熱機(jī)效率永遠(yuǎn)小于1。表明熱不能完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響因此，提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵在于盡量擴(kuò)大兩個(gè)工作熱源的溫差熱力學(xué)第二定律所揭示的這一熱機(jī)原理具有最大的普遍性，因而可以說它是工業(yè)革命得以成功的最基礎(chǔ)的科學(xué)理論之一。熱力學(xué)第二定律還從理論上證明了制造永動(dòng)機(jī)的不可能性。歷史上盡管有過許多人試圖找到一個(gè)一勞永逸的生括方式而制造永動(dòng)機(jī)，但是無一成功。3.黑洞溫度的發(fā)現(xiàn)：1972年，30歲的英國青年物理學(xué)家霍金（S.Hawking，1942），提出了黑洞的“面積定理”。證明了黑洞的面積A隨時(shí)間變化只能增加，不能減少，即 。這個(gè)定理認(rèn)為，物質(zhì)落入黑洞、兩個(gè)黑洞

9、相撞等導(dǎo)致黑洞面積增加的過程，是可以發(fā)生的。而一個(gè)黑洞分裂為兩個(gè)黑洞的情況，由于會(huì)導(dǎo)致黑洞面積減少，因而是不可能發(fā)生的。面積定理，不由使人想起熱力學(xué)中的“熵”。但是黑洞面積與熵是風(fēng)馬牛不相及的兩種東西，這樣去聯(lián)想它們，是不是太荒唐了呢？幾乎與此同時(shí)，青年物理學(xué)家貝根斯坦和斯馬爾，各自獨(dú)立得出了關(guān)于黑洞的一個(gè)重要公式。這個(gè)公式把黑洞的一些參量組合成了類似于熱力學(xué)第一定律的形式（式中M、J、Q分別是黑洞的總質(zhì)量、總角動(dòng)量、總電荷；A、V分別是黑洞的表面積、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和表面上的靜電勢。k稱為黑洞的表面重力）此式與熱力學(xué)第一定律表達(dá)式（式中U、T、S分別是系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度和熵）非常相似。、J、V、Q等物理意義與前式類似。難道黑洞真的有溫度？為此人們進(jìn)行了熱烈的爭論。1973 年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞專家聯(lián)名發(fā)表了一篇論文，聲稱可以模仿熱力學(xué)定律給出黑洞力學(xué)的定律，但黑洞的溫度不能看作真實(shí)溫度，因?yàn)楹诙礇]有熱輻射( 不可能有任何物質(zhì)跑出黑洞) 。但是，幾個(gè)月后霍金就宣稱，他已證明，黑洞有熱輻射， 黑洞的溫度是真實(shí)的，其值為。