第八章 B 热力学第二定律 熵.docx

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1、第八章B热力学第二定律熵图8-5图8-5是常见的城市道路上的情景。利用物质（如煤、石油等）的内能做功的设备称为“热机”，汽车常用的汽油机或柴油机等一类热机的“效率”实际上不到20%。也就是说，全世界几亿辆汽车的发动机从燃料中取出的热有80%以上通过各种途径散失到了大气中。从1765年瓦特发明蒸汽机至今已近两个半世纪，其间人类在工业和科技方面取得了巨大的进展。但是为什么如此常用的热机的效率却并不如想象的那样高呢？这个问题与本节中要讨论的“热力学第二定律”密切相关。该定律是在一个半世纪前差不多与能量守恒定律同时被发现的。一、热力学第二定律在基础型物理课程中曾经讨论过热力

2、学过程的方向性。自然界的一切实际过程，包括物理过程、化学过程、生命过程等，都是有方向性的，沿某个方向可以自发发生，反过来则不能，虽然两者都不违反能量守恒定律。热传导与做功产生热是两类最常见的“单向性过程”或“不可逆过程”。在18世纪中叶，一些物理学家首先从这两类过程的单向性特征中提炼出热力学第二定律。热传导具有单向性是什么意思？热量只能从高温物体传到低温物体，而不能自发地从低温物体传到高温物体。这句话的前半句肯定式话语似乎天经地义，容易理解，而后半句否定式话语的意思则需要动些脑筋，才能体会。1850年，德国物理学家克劳修斯首先意识到，有必要在热力学第一定律之外建立另

3、一条独立的定律，以反映自然界的这种规律性。他用否定的陈述方式将该定律表述为：不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。这一表述常称为“热力学第二定律的克劳修斯表述”。从表面上看，热力学第二定律揭示的“不可能性”标志了一种“负”的因素，似乎限制了人类的能动性。其实不然，你可以从“正”的方向理解这条定律。热量可以从低温物体转移到高温物体，但是这种过程必须引起其他变化，伴随其他能量的转移，例如电冰箱、空调机的工作过程就说明了这一点。大家谈有人说，对于自然界中的过程，热力学第一定律虽然正确，但并不充分。对于这句话，能否通过实例谈谈你的看法。二、热机效率由于摩擦力

4、处处存在，功可以百分之百变成热，这是很自然的事。但是将热转化为功就不是那么容易了。我们从这种功与热转化过程的单向特性中能否获得进一步的认识？4/4图8-6蒸汽机、内燃机等各种类型热机的发明和广泛使用，对人类社会的发展意义重大。现代各种热机的结构以及控制系统尽管复杂，但从能量角度来看，它们的基本工作过程可简单地归纳如下：热量从高温热源（如汽缸内的爆炸气体）向低温热源（如汽缸外的空气）自然流动，并在此过程中分出一部分能量推动活塞做功，如图8-6所示。因此热机工作时必须有一个温差，只有单一热源无法使热转变为功。例如，海水中含有大量的热运动能量，但是如果没有一个更冷的系统让

5、海洋中的热量流动，就无法用它来做功。历史回眸法国工程师卡诺在其1824年出版的著作《关于火的动力的思考》中就已经认识到“单独提供热不足以给出推动力，必须还要有冷。没有冷，热将是无用的”。热机总是在两个温度不同的热源之间工作的，因此热机工作时从高温热源取出的热量中必然有一部分流到低温热源，这部分热量不做功，“浪费了”。然而，为了克服功与热转化过程的单向性，这部分热量的浪费是必要的，是为了使另一部分热量转化为功而“必须付出的代价”，假定热机在一次循环中，从高温热源吸收的热量为Q1，其中一部分转化为对外做的机械功W；另一部分热量Q2流到低温热源。因为一次循环后，工作物质（

6、如汽缸中的气体）回到原来状态，内能的变化ΔU＝0，因此根据热力学第一定律应有Q1－Q2＝W。所以热机的效率为η＝＝＝1－。可见，由于Q2不可能为零，因此任何热机的效率不可能达到100%，即使从理论上说也不可能。人们能够做到的只是在理想情况下理论所预言的范围内，尽量提高热机的效率。下表给出了现代常用的几类热机的效率。热机的效率热机类型效率（%）理想效率实际效率运输业汽车发动机（汽车/卡车）5510～15柴油发动机（汽车/卡车/机车）6015～20蒸汽机车1810蒸汽发电厂化石燃料6040核燃料5035太阳能38301851年，英国物理学家开尔文首先通过对热机工作过程能

7、量转化的分析认识到这一点，并将这一认识作为一个普遍规律表述为：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他变化。这一表述常称为“热力学第二定律的开尔文表述”，可以证明，热力学第二定律的上述两种表述方式是完全等价的，热力学第二定律是独立于热力学第一定律之外的又一基本定律。4/4每一个与热现象有关的宏观过程必须同时满足热力学第一定律和热力学第二定律才能发生。热力学的两个基本定律都是通过对自然界和社会生活、生产实际的观察、思考、分析，进而实验得到的。自然界的实际过程，如热传递、功变热，都具有方向性，然而逆着这种方向的过程，如汽车发动机、发电厂中带动发电机