定律的表述及其實(shí)質(zhì)(已修改)
2025-02-02 15:20 本頁面
【正文】 Chapter 5 Second law of thermodynamics 第五章 熱力學(xué)第二定律 一切熱力學(xué)過程，能量一定守恒。這是過程能實(shí)際發(fā)生的必要條件。 只要滿足熱力學(xué)第一定律，實(shí)際過程就能發(fā)生嗎？不一定。 自然過程有一種自發(fā)趨于平衡的趨勢(shì)。 水往低處流； 熱自發(fā)地由高溫物體傳到低溫物體，直到溫度相等為止； 氣體自發(fā)地由高壓區(qū)向低壓區(qū)膨脹，直到壓強(qiáng)相等為止； 這些逆向的過程不違反第一定律。 符合熱一律的過程，不一定能在自然界發(fā)生， 例如： 重物下落，功全部轉(zhuǎn)化成熱而不產(chǎn)生其他變化，可自然進(jìn)行。 水冷卻使葉片旋轉(zhuǎn)，從而提升重物，則不可能自然進(jìn)行。 水 葉片 重物 重物 絕熱壁 焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn) 過程的 唯一 效果 能否發(fā)生 熱功轉(zhuǎn)換 功 熱 功 熱 √ ? 熱傳導(dǎo) 高溫 熱量 低溫 高溫 熱量 低溫 √ ? 氣體擴(kuò)散 分離 混合 分離 混合 √ ? 一些自然過程的方向： 全部 全部 ★ 表明： 在一定外部條件下，一個(gè)系統(tǒng)將奔向何方，命運(yùn)如何，這并非隨意。第一定律不能說明自然過程的方向性和不可逆性。 自然過程還受另一條規(guī)律 —— 熱力學(xué)第二定律的支配。熱力學(xué)第二定律用來說明如何判斷過程演化的方向和限度。 熱一律只反映能量轉(zhuǎn)化中數(shù)量上守恒，似財(cái)務(wù)收支平衡，它沒有說明能量上在 “ 質(zhì) ” 上的差異。 熱二律卻能指明從高溫物體上取的 1焦耳熱量較低溫物體上取的相同的熱量在 “ 質(zhì) ” 上的差別，指明能量的可利用價(jià)值。 本章主要講解內(nèi)容： 熱力學(xué)系統(tǒng)的可逆與不可逆的問題研究，這就是熱力學(xué)第二定律（ 167。 ）。 為了把過程方向的判斷提高到定量水平，必須引入態(tài)函數(shù) —— 熵（ 167。 ）。 為了引入熵，必須先介紹卡諾定理（ 167。 ）與克勞修斯等式（ 167。 ） 。 從微觀上考慮，熵是系統(tǒng)中微觀粒子雜亂無章程度的度量（ 167。 ） 。 把這一概念進(jìn)行推廣，引入信息熵及生物中的負(fù)熵。 熱力學(xué)第二定律說法的產(chǎn)生和演變 在科學(xué)史上，公認(rèn)克勞修斯最早提出了熱力學(xué)第二定律?？藙谛匏埂㈤_爾文在 1850－ 1851年間從不同的角度提出了各自不同的說法和論證。 馬赫作為一個(gè)具有哲學(xué)頭腦的重要的科學(xué)史學(xué)家評(píng)價(jià)克氏說法和開氏說法實(shí)際上是等價(jià)的。 熱力學(xué)第二定律是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的定律，它的發(fā)現(xiàn)必然首先從宏觀的大量存在的熱和機(jī)械功轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，特別是熱機(jī)作功過程開始的。 克氏說法和開氏說法雖然都從熱機(jī)作功的基本假設(shè)出發(fā)，但沒有明確提出“孤立的系統(tǒng)”的前提條件。沒有從微觀的分子運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)深入探討這個(gè)定律的含義和作用，以及對(duì)這個(gè)定律的熵增原理說法作深入和細(xì)致的探討，甚至把它無限推廣到宇宙，得出后來引起激烈爭論的結(jié)論。 由于這些原因，熱力學(xué)第二定律在提出之后，出現(xiàn)了許多深入而更嚴(yán)格的探討、爭論和說法的演化過程。 麥克斯韋、玻爾茲曼、馬赫和普朗克等著名科學(xué)家，都一致指出，熱力學(xué)第二定律只有在一個(gè) 孤立系統(tǒng) 條件下才成立。 熱力學(xué)第二定律在微觀方面的解釋和說法，主要是由 玻爾茲曼 提出的，他是在克勞修斯和麥克斯韋工作的基礎(chǔ)上，用分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)對(duì)熵增原理進(jìn)行新的表述。經(jīng)過 19世紀(jì)末的爭論后，很快得到國際科學(xué)界的公認(rèn)。作為熱力學(xué)第二定律的更加深刻和準(zhǔn)確的說法，在科學(xué)史上占有很重要的地位 . “ 熱寂說” 幾乎從熱力學(xué)第二定律誕生起就是伴隨它的陰影，用克勞修斯自己的話說，熱力學(xué)兩條定律意味著： (1）宇宙的能量是常數(shù)；（ 2）宇宙的熵趨于一個(gè)極大值。 就是說，全宇宙將達(dá)到熱平衡，進(jìn)入熱寂（ heat death)狀態(tài)。 宇宙熱寂說是自然哲學(xué)史上的一個(gè)重要問題，也是科學(xué)上無法用觀測(cè)和驗(yàn)證作出最后判決的學(xué)術(shù)問題，它的出現(xiàn)注定會(huì)引起國際科學(xué)界和哲學(xué)界的極大關(guān)注和爭論。這種爭論雖然因種種原因而時(shí)起時(shí)落，至今已延續(xù) 100多年。 多少年來，人們總感到對(duì) “ 熱寂說 ” 的批判說服力不強(qiáng)，隔靴搔癢，未中要害?，F(xiàn)在我們知道了。 擊中 “ 熱寂說 ” ：一是宇宙在膨脹，二是引力系統(tǒng)具有負(fù)熱容的不穩(wěn)定系統(tǒng) 。 總之，膨脹的宇宙和負(fù)熱容的引力以出乎意料的方式冰釋了“熱寂”的疑團(tuán)，展現(xiàn)了全新的一幅情景：宇宙早期是處于熱平衡的高溫高密“羹湯”，從這一單調(diào)的混沌狀態(tài)開始，在膨脹的過程中一步步發(fā)展出愈來愈復(fù)雜的多樣化結(jié)構(gòu)。于是，在微觀上形成了原子核、原子、分子（從較簡單的無機(jī)分子到
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