淺談熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用

李 琦

（呂梁學(xué)院汾陽師范分校，山西 呂梁 032200）

在物理研究工作中物理學(xué)家對熱力學(xué)第二定律通常有兩種常見表述，一種是因為若想不使其他發(fā)生變化而讓熱量從溫度較低的物體傳到溫度高溫的物體基本是不可能的，所以我們可以按熱量進(jìn)行熱傳遞過程中能量流動的方向來表述。除此之外還由于基本不能將熱量由單一源經(jīng)過吸收所得到的熱量在不發(fā)生其他變化而都用來做功，所以我們可以根據(jù)能量的機械能和內(nèi)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的方向變化來表述。為此我們可以對第二定律進(jìn)行永動機機制研究制造的以上兩個方向的應(yīng)用進(jìn)行探討。

一、熱力學(xué)第二定律概念

2.1 意義

對于以自然環(huán)境下熱能永遠(yuǎn)都只會從熱處過渡到冷處作為主要含義的熱力學(xué)第二定律不僅僅是獨立在第一定律后的熱力學(xué)又一基本規(guī)律，同時還為我們形象的展示了參雜大量分子熱量的宏觀活動的方向。它為我們揭示了在一定空間、時間內(nèi)，所有涉及熱運動的物理、化學(xué)過程都是不可逆返的，這也從根本上認(rèn)定了永動機理論的不科學(xué)性。由第二定律作為日常生活主要依據(jù)的人們，其生產(chǎn)中可以通過合理有效的科學(xué)實驗進(jìn)行總結(jié)歸納得出，但是由于推算論證的步驟方法過于繁瑣，數(shù)量過于龐大，使得第二熱力學(xué)定律不僅不能涉及到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，就連用常用的數(shù)學(xué)進(jìn)行推導(dǎo)與驗證也不行。即便如此因為該定律是經(jīng)過無數(shù)科學(xué)研究工作人員進(jìn)行無數(shù)次熱力學(xué)試驗驗證，其精確度與可靠性是無可厚非的。

2.2 含義

由于自然界大多數(shù)不可逆過程內(nèi)部都是具有互相關(guān)聯(lián)性質(zhì)的，所以可任選不可逆過程其中之一充當(dāng)熱力學(xué)第二定律的表述基礎(chǔ)。由此我們知道熱力學(xué)第二定律是可以有很多種不一樣的表達(dá)方式的?？墒遣徽撨x擇哪種表達(dá)方式，在本質(zhì)上學(xué)熱力學(xué)第二定律都為我們展示出：所有和熱現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)的宏觀活動本質(zhì)的逆轉(zhuǎn)性都是不相互的，同時為我們指出熱現(xiàn)象都是按照自發(fā)方向進(jìn)行的。

熱力學(xué)第二定律，也可以確定一個新的態(tài)函數(shù)——熵。可以用熵來對第二定律作定量的表述。具體點說，其實熱力學(xué)第二定律就是告訴我們：所有自然界發(fā)生的的變化都不會自行恢復(fù)原狀的，都需要借助外界條件，變化期間初始與結(jié)束是存在很大差異的，這種差異會影響變化的方向，但是我們可以利用熵這個態(tài)函數(shù)來對差異進(jìn)行描述，在理論上我們能夠進(jìn)行初步證實：

熱力學(xué)絕熱反應(yīng)可逆過程：Sf=Si；

熱力學(xué)絕熱不可逆反應(yīng)過程：Sf>Si；

（其中Sf 是變化結(jié)果的熵，Si 是系統(tǒng)初始的熵，根據(jù)對熵的分析計算，我們可以發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)。）

由于在相對存在都毫無關(guān)聯(lián)且孤立的熱量變化可逆反應(yīng)中，從始至終的熵基本是沒有變化的；但是在不可逆反應(yīng)中，熵卻是基本呈現(xiàn)不斷增加的態(tài)勢，針對此現(xiàn)象我們還可以稱其為熵增加原理。這一原理通常也被看做是熱力學(xué)第二定律的另一表述。其間對于熵的增加可以看作是熱量系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了由小幾率向大幾率的變化，也可以看作是熱量反應(yīng)發(fā)生了一個規(guī)律、秩序都比較有章可依的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€基本無規(guī)則，也無秩序的變化狀態(tài)。

其實，通過上述熱力學(xué)第二定律的含義推算過程中我們就完全可以充分理解得出：永動機存在科學(xué)爭議是一種必然。

二、熱力學(xué)第二定律發(fā)展歷史

熱力學(xué)第二定律的研究發(fā)展史歷經(jīng)數(shù)十載，并經(jīng)過多位學(xué)者、科學(xué)家的一次次研究證實。最開始可以說是在十九世紀(jì)初，當(dāng)時雖然被巴本、紐可門等研究發(fā)明并幾經(jīng)改進(jìn)，尤其是在瓦特研究改良后的蒸汽機基本成型，并被廣泛使用在多家大型工廠、采集煤礦的礦山甚至國家的主要交通運輸工作中，然而此時人們對蒸汽機的理論理解不到位，研究膚淺，在這種情況下可以解決熱現(xiàn)象并提高熱機效率的熱力學(xué)第二定律的研究工作浩浩蕩蕩開展了。

之后到了1824 年，卡諾這個法國高級陸軍工程師在發(fā)表的名為“論火的動力”的論文中提出了可以提高熱機效率的“卡諾定理”（卡諾定力結(jié)構(gòu)圖如下圖圖一所示）。然而由于當(dāng)時的卡諾是利用現(xiàn)在看來是錯誤的理論依據(jù)“熱質(zhì)說”來進(jìn)行研究。直到邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人在1840 年到1847 年間對熱力學(xué)機理進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上扎實建立熱力學(xué)第一定律甚至其他一些更普遍的能量守恒定律。此時的“熱動說”已經(jīng)基本被人們普遍接受。一年后開爾文爵士依據(jù)卡諾定理構(gòu)建一個基本不依賴任何特殊物質(zhì)具有的物理特性，在理論上基本解決各種經(jīng)驗溫標(biāo)不同的缺點的“熱力學(xué)溫標(biāo)”，這些都是為熱力學(xué)第二定律的成立進(jìn)行的鋪墊。在此之后于1850 年，克勞修斯利用前幾年普及的“熱動說”作為研究點進(jìn)行卡諾定理審核，由于熱量的熱傳導(dǎo)基本都是自主的從溫度較高的物體將熱量傳遞給溫度較低的物體，克勞修斯得到熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。其后幾經(jīng)深入改進(jìn)與修改，就出現(xiàn)了至今仍被廣大教材沿用的“克勞修斯表述”。但是同時期，科學(xué)家開爾文在對熱力學(xué)進(jìn)行研究的過程中也在卡諾定理中從另一方面對熱力學(xué)第二定律進(jìn)行了表述，這就是此后廣大教科書中所提到的“開爾文表述”。這兩種表述相互不影響，處于等價的平等關(guān)系，本質(zhì)上都明確指示出能量在自然界宏觀變化過程中方向以及作用與能量的不可逆（如下圖圖二所示）。根據(jù)兩個平等理論的應(yīng)用角度進(jìn)行分析，針對克勞修斯的理論表述在能量進(jìn)行熱傳遞的變化方向本質(zhì)上看，只可以自主的由溫度較高的物體把熱量傳遞給溫度較低的物體，無法在不發(fā)生其他物質(zhì)變化的情況下將熱量由溫度較低的物體傳遞給溫度較高的物體。然而如果參考下圖圖三所示的結(jié)構(gòu)顯示，我們可以通過致冷機從溫度較低的物體熱量轉(zhuǎn)移給溫度較高的物體，其間一定存在外界做功。然而根據(jù)開爾文的理論表述內(nèi)容主要是以熱功轉(zhuǎn)化作為基本內(nèi)容的。如果根據(jù)能量守恒定律是可以實現(xiàn)機械能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的，將能量的功全部轉(zhuǎn)變成熱量，舉個例子：因為活動摩擦生熱在平面上運動的木塊最后都會停下。與此相反，想要在不發(fā)生其他變化完全將由單一熱源所吸收的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉旧鲜遣豢赡艿摹?/p>

當(dāng)然，從熱力學(xué)第二定律的發(fā)展史中我們就可以清楚看到永動機的制造只能是個空想，基本從始至終都是必受爭議的。

（圖一：卡諾定理證明理論結(jié)構(gòu)圖）

（圖二：開爾文第二定律表述與克勞修斯第二定律表述邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系）

（圖三：能量在熱機與制冷機的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)圖）

三、熱力學(xué)第二定律應(yīng)用探究

熱力學(xué)第二定律因為可以解決熱量傳遞過程中轉(zhuǎn)化問題，所以實際應(yīng)用很廣，根據(jù)上述給出的熱力學(xué)第二定律定義與意義，熱力學(xué)第二定律有以下三點實踐應(yīng)用，具體內(nèi)容如下問所示：

(1) 由于熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)熱量問題的宏觀規(guī)律，所以熱力學(xué)第二定律不適用于少數(shù)分子構(gòu)建組成的結(jié)構(gòu)微觀型系統(tǒng)體系。

(2)根據(jù)上述內(nèi)容，我們知道熱力學(xué)第二定律普遍對熱量的“絕熱”以及“孤立”兩個系統(tǒng)體系在有生命的性能結(jié)構(gòu)屬于開放型的物體上面不適用。所以當(dāng)開爾文于1851 年對物理熱力學(xué)第二定律進(jìn)行論述時，就明確指出：物理熱力學(xué)第二定律對無生命氣象的物質(zhì)適用，但是對于有生命性征的動物體就不能像性能正常的熱機一樣按常規(guī)進(jìn)行有一定規(guī)律的工作。

(3)物理熱力學(xué)第二定律具有很廣泛的應(yīng)用價值，在十九世紀(jì)前半期主要應(yīng)用在建筑工程的限定性空間與時間的物質(zhì)能量變化問題上，但是到了本世紀(jì)后半期也有科學(xué)家不顧應(yīng)用局限性，將熱力學(xué)第二定律錯誤的應(yīng)用在空間、時間都范圍無限的、開放的宇宙空間的物質(zhì)變化中，甚至給出“熱寂說”并聲稱：未來某天，能量會在整個宇宙空間內(nèi)實現(xiàn)一種熱平衡狀態(tài)，那時所有的能量物質(zhì)變化都會停下，等到那時整個浩瀚的宇宙就真的死亡了，這是很大膽的設(shè)想。發(fā)表這一觀點的科學(xué)家妄想未來的某一天將處于穩(wěn)定，能量基本平衡的宇宙重獲新生，再次重新活動起來，但是實際上這種想法只有存在外力進(jìn)行推動才可能實現(xiàn)。當(dāng)然從表面上看這一說法為唯心主義如上帝創(chuàng)造世界等說法提供了證據(jù)不足但論述提出者堅信的“科學(xué)依據(jù)”。

(4)根據(jù)熱力學(xué)第二定律熱傳導(dǎo)機理，此定律也被廣泛應(yīng)用在造船焊接技術(shù)、供電工程電力傳輸技術(shù)、甚至橋梁施建技術(shù)等方面的應(yīng)用潛質(zhì)。

其實除卻上述的應(yīng)用，備受科學(xué)家爭議的永動機，才是熱力學(xué)第二定律最初最根本的應(yīng)用設(shè)想，然而卻因為根本不可能實現(xiàn)而日漸被以上的常見應(yīng)用途徑所掩蓋。

四、結(jié)論

對于熱力學(xué)第二定律，在高中物理學(xué)習(xí)中大多數(shù)人都進(jìn)行過初步接觸，期間對于充當(dāng)永動機的制造原理更是引人注目，本文通過初步對熱力學(xué)第二定律進(jìn)行應(yīng)用性能的研究與探討，希望可以讓更多人認(rèn)識到熱力學(xué)第二定律雖然是熱學(xué)活動研究工作中重要熱量反應(yīng)定律，更被應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，但是并不能以此作為永動機制造的理論依據(jù)。

[1]張啟仁. 熱力學(xué)第二定律的一個普遍的信息論證明［J］.中國科學(xué)G輯：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2008，38（6）：781-784.

[2]趙凱華，羅蔚茵編.新概念物理教程-熱學(xué)[M].高等教育出版社，1998.

[3]潘雯，嚴(yán)仲強.從熱力學(xué)第二定律討論熱力學(xué)過程［J］.廣西物理.2002，23（03）.