1、備課資料1熱力學第二定律闡述熱力學過程的方向性這一定律有多種不同的表述方式，其中重要的有以下兩種：（一）開爾文表述不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓硎鲋姓f的其他變化，是指除了單一熱源放熱和對外界做功這兩者以外的任何其他變化.其實，并非熱不能完全轉(zhuǎn)化為功，而是在不引起其他變化的條件下熱不能完全轉(zhuǎn)化為功.例如：理想氣體從單一熱源吸熱做等溫膨脹時.內(nèi)能不變，即u=0,按熱力學第一定律，得Q=W,即所吸收熱量全部轉(zhuǎn)化為功，但是在這一過程中卻引起了其他變化，即氣體的體積膨脹，不能自動地縮回.歷史上曾有許多人企圖制造出一種循環(huán)動作的熱機，它只從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛?/p>

2、用的功，而不需具備低溫熱源進行放熱，這種機器稱為第二類永動機或單熱源熱機，其效率為百分之百.我們知道：要想制造出100%的第一類永動機是不可能的，否則，能量無中生有，與能量守恒定律相違背，但是能否制造出不違背熱力學第一定律而達到=100%的熱機呢？假如能夠?qū)崿F(xiàn)的話，那么我們只要將大氣海洋、地層作為單一熱源，使之冷下去，取其全部熱量用來做功，這時開發(fā)和利用新的能源問題無異是一件美事.據(jù)估算，地球上的海水約有1018t，只要使海水降低溫度0.01 K，所釋放的熱能足以使全世界的機器開動好多年.但是據(jù)可知，=100%，相當于Q2=0，這是違背開爾文表述的，因此，熱力學第二定律也可表述為：第二類永動機

3、是不可能造成的.（二）克勞修斯表述不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化.表述中的其他變化是指高溫物體吸熱和低溫物體放熱兩者以外的任何變化，如果允許引起其他變化，熱量由低溫物體傳入高溫物體也是可能的，例如：致冷機可以將熱量從低溫熱源傳給高溫熱源，但這不是自動傳遞的，需有外界對氣體做功，并把所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫腿敫邷責嵩?，外界做了這部分的功，自然要引起其他變化.熱力學第二定律的開爾文表述與熱機的工作有關；克勞修斯表述與熱傳導現(xiàn)象有關，兩種表述貌似不同，但是它們通過熱功轉(zhuǎn)換和熱傳導各自表述了過程進行的方向性，所以本質(zhì)上是一致的.也就是說：如果開爾文表述是正確的，則克勞修斯表述也是正確的

4、，若違反開爾文表述，也必違背克勞修斯表述.2開爾文與克勞修斯簡介（一）開爾不簡介英國物理學家開爾文（18241907），1845年畢業(yè)于劍橋大學，1846年受聘為格拉斯哥大學自然哲學教授，長達50余年，1851年被選為英國皇家學會會員，1877年被選為法國科學院院士，1890年至1895年擔任皇家學會會長，他對熱學和電磁學的發(fā)展都作出了重要的貢獻.1851年開爾文在愛丁堡皇家學會會刊上發(fā)表了一篇論文，題目是“論熱的動力理論”，文章指出：不存在這樣一個循環(huán)過程，系統(tǒng)從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響.表述中“單一熱源”是指溫度均勻且恒定的熱源；“其他影響”指除了由單一熱源吸熱

5、，把吸收的熱用來做功以外的任何其他變化.若有其他影響產(chǎn)生時，把由單一熱源吸來的熱量全部用以對外做功是可能的.自然界任何形式的能都可能轉(zhuǎn)化為熱，但熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全轉(zhuǎn)變成其他形式的能.開爾文的論述雖然較克勞修斯晚一年，但他的論述更為明確，使得熱力學第二定律的研究更加深入，此外，開爾文還從第二定律斷言：能量耗散是普遍趨勢.（二）克勞修斯簡介德國物理學家克勞修斯（18221888），曾在柏林大學學習4年，后于1848年畢業(yè)于哈雷大學.1850年他任柏林皇家炮工學校物理教授，1855年后他相繼任蘇黎士維爾茨堡和波恩大學物理教授.他除了建立熱力學第二定律，引入態(tài)函數(shù)熵，還對氣體分子動理

6、論做了較全面的論述，用統(tǒng)計平均的方法導出了理想氣體的壓強、溫度和氣體的平均自由方程式.克勞修斯于1850年在德國物理學年鑒上率先發(fā)表了論熱的動力及能由此推出的關于熱本質(zhì)的定律，把卡諾定理作了揚棄而改造成與熱力學第一定律并列的熱力學第二定律.他提出，熱量總是自動地從高溫物體傳到低溫物體，不可能自動地由低溫物體向高溫物體傳遞.或者說不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化.即在自然條件下，這個轉(zhuǎn)變過程是不可逆的，若想讓熱傳遞的方向逆轉(zhuǎn)，則必須消耗功才能實現(xiàn).以上兩種表述是等效的，說明了熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為機械功以及這一轉(zhuǎn)化過程的方向性.人們一度曾設想一種能從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)

7、變成有用的機械功而不產(chǎn)生其他影響的第二類永動機，第二類永動機雖不違背熱力學第一定律，但違背熱力學第二定律，因而是不可能造成的.第二定律除了以上兩種表述外，還有其他不同的表述，例如熱效率為100%的熱機是不可能制成的；不需要由外加功而可操作致冷的機器是不可能造成的等.第二定律無論采用何種表述，其內(nèi)容實質(zhì)相同，不外乎主張不可逆變化的存在.各種表述的實質(zhì)在于說明一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆的.3關于熱力學第二定律（1）熱力學第二定律的統(tǒng)計意義如右圖所示，拉開隔板后，A部分的理想氣體將進入B中，從而充滿A、B整個空間.這個過程不可逆，為什么呢？設容器中有1個分子，它退回到A部分的幾率為1/2，設容器中有2個分子，它們退回到A部分的幾率為1/22=設容器中有1 mol理想氣體（約NA=6.021023個），這些分子全部處于A部分的幾率為這個幾率是如此的小，實際上是不會出現(xiàn)的。上述簡單例子的分析具有一般意義，即熱力學第二定律的統(tǒng)計意義是：一個不受外界影響的“孤立系統(tǒng)”，其內(nèi)部發(fā)生的過程，總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進行，由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進行.（2）熱力學第二定律的適用范圍熱力學第二定律的適用范圍熱力學第二定律是適用于“絕熱系統(tǒng)”或“孤立系統(tǒng)”的，對于生命體（開放系統(tǒng)）不適用。