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什么是熱力學(xué)第二定律

2015-11-17 18:59  來源： 科普中國(guó)-科學(xué)原理一點(diǎn)通

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在物理學(xué)上，有一個(gè)分支叫熱力學(xué)。它是從宏觀角度研究物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)性質(zhì)及其規(guī)律的學(xué)科。而熱力學(xué)定律則是用來描述這些規(guī)律的定律，它包括熱力學(xué)第零定律、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律。

在這里，主要講解熱力學(xué)第二定律。

熱力學(xué)第二定律有著多種表述，且各表述在本質(zhì)上是等價(jià)的。

1824年，法國(guó)青年軍事工程師、數(shù)學(xué)家薩迪·卡諾提出了卡諾定理，成為熱力學(xué)的創(chuàng)始人之一�？ㄖZ定理在導(dǎo)出熱力學(xué)第二定律的普遍判據(jù)——狀態(tài)函數(shù) “S”（熵）中具有重要作用。

1850年，德國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏乖诳ㄖZ定理的基礎(chǔ)上，提出了克勞修斯表述。他從熱傳遞方向上，提出熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，不可能做相反的傳遞而不引起其它反應(yīng)�？藙谛匏沟倪@一表述，證明了熱傳遞具有方向性和不可逆性。

1851年，英國(guó)物理學(xué)家開爾文（原名威廉·湯姆森）提出了開爾文表述。他提出：“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響”。開爾文從熱功轉(zhuǎn)化方面提出，功（機(jī)械功）可全部轉(zhuǎn)化為熱，但任何熱機(jī)卻不能全部地、連續(xù)不斷地把所接受的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α?/p>

開爾文的表述，徹底擊碎了人們“異想天開”的美夢(mèng)。在這之前，曾有人提出在不違背能量守恒的定律下，制造出一種第二類永動(dòng)機(jī)，比如從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能作為驅(qū)動(dòng)永動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和功輸出的源頭。這種想象中的熱機(jī)，被開爾文徹底推翻，證明了它的不可實(shí)現(xiàn)。

克勞修斯表述和開爾文表述都被稱為熱力學(xué)第二定律。他們的表述雖出自不同角度，但在理念上是等價(jià)的。這兩種表述是可以互相之間推導(dǎo)的，比如通過克勞修斯的表述就能推導(dǎo)出開爾文表述。同樣，如果其中一個(gè)表述不成立則另一個(gè)表述也不會(huì)成立。

熱力學(xué)第二定律確定了一個(gè)新的態(tài)函數(shù)，熵（S）。

熵增定律，，也叫熵增加原理，是熱力學(xué)第二定律的又一種表述。

熵增加原理，表明了在孤立系統(tǒng)內(nèi)對(duì)可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對(duì)不可逆過程，系統(tǒng)的熵則總是增加的。

這一原理，比克勞修斯、開爾文表述更為概括地指出了不可逆過程的進(jìn)行方向，即一切不可逆過程必然朝著熵的不斷增加的方向進(jìn)行。由于孤立系統(tǒng)的一切自發(fā)過程均向著其微觀狀態(tài)更無序的方向發(fā)展，因此如果要使系統(tǒng)由最終狀態(tài)（無序狀態(tài)）回到原先的有序狀態(tài)（初始狀態(tài)）是不可能的，除非外界對(duì)它做功。

同時(shí)，熵增加原理，指出了熱力學(xué)第二定律是大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程，它不適用于單個(gè)分子或由少量分子構(gòu)成的系統(tǒng)。

熱力學(xué)第二定律即使在有限的宏觀系統(tǒng)中，也要保證兩個(gè)必不可少的條件，即：該系統(tǒng)是線性的；該系統(tǒng)全部是各向同性的。

熱力學(xué)第二定律，不但確定了熵這一新的態(tài)函數(shù)，它在人們的生活中也得到了廣泛應(yīng)用。比如家用電器里的冰箱、空調(diào)、以及作為現(xiàn)代交通工具的磁懸浮列車等。

作者：宋日紅

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