熱力學(xué)論文-熱力學(xué)第一，第二定律的具體表述淺談熱力學(xué)第三定律的發(fā)展(編輯修改稿)
2025-07-12 22:15 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)爾文表述 (1851 年 )：不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī) ,只從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他 影響。 ①如果我們否定克勞修斯的說(shuō)法，認(rèn)為熱量可以自發(fā)地從低溫物體 B傳向高溫物體 A，見(jiàn)圖 4－ 1（ a）的示意圖，設(shè)這個(gè)熱量為 Q，我們?cè)僭O(shè)想有一個(gè)卡諾熱機(jī)，從高溫?zé)嵩?A 吸取熱量 Q，一部分轉(zhuǎn)化為有用功 W，另一部分 Q′傳給了低溫?zé)嵩?B，這樣的整個(gè)過(guò)程中，高溫?zé)嵩?A 沒(méi)有發(fā)生變化，相當(dāng)于只從低溫?zé)嵩?B 吸收了（ Q－ Q′）的熱量而全部轉(zhuǎn)化為有用功，而不產(chǎn)生其他影響，從而開(kāi)爾文的說(shuō)法也就被否定了。 ②反過(guò)來(lái)，如果我們否定了開(kāi)爾文的說(shuō)法，認(rèn)為可以從單一熱源 A 吸取熱量，全部轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響，見(jiàn)圖 4－ 1（ b）的示意圖， 設(shè)這部分熱量為 Q1，做的有用功為 W1（ Q1－ W1），我們?cè)僭O(shè)想這部分有用功是帶動(dòng)一個(gè)理想的致冷機(jī)工作，它從另一個(gè)低溫?zé)嵩?B處吸收熱量 Q2，向熱源 A 放出熱量 Q1′，則滿足 Q1′ =Q2＋ W1，而 Q1=W1，所以 Q1′ =Q2＋ Q1。這樣，總的效果相當(dāng)于從低溫?zé)嵩?B 處吸收了熱量Q。，向高溫?zé)嵩?A 放出的熱量 Q1′，在補(bǔ)償了 Q1以后，正好也是 Q2，這就等于熱量 Q。自發(fā)地從低溫?zé)嵩?B 傳向了高溫?zé)嵩吹夭](méi)有發(fā)生其他變化，這就否定了克勞修斯的說(shuō)法。 以上我們從正反兩個(gè)方面說(shuō)明了關(guān)于熱力學(xué)第二定律的兩種說(shuō)法是等價(jià)的，它們都是關(guān) 于自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程的進(jìn)行方向的規(guī)律。其實(shí)，熱力學(xué)第二定律還可以有其他很多種不同的表述方式。例如我國(guó)有一句成語(yǔ)“覆水難收”，其實(shí)是“覆水不收”。臉盆里的水潑到地上，是不可能再收回來(lái)的，這也可以看作是熱力學(xué)第二定律的一種表述形式。廣義地講，只要指明某個(gè)方面不可逆過(guò)程進(jìn)行的方向性就可以認(rèn)為是熱力學(xué)第二定律的一種表述，因?yàn)樗胁荒妗? 熱機(jī) 熱機(jī)是指把持續(xù)將熱轉(zhuǎn)化為功的機(jī)械裝置 ,熱機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的是蒸汽機(jī)。一個(gè)熱機(jī)至少應(yīng)包含以下三個(gè)組成部分 :循環(huán)工作物質(zhì) 。兩個(gè)或兩個(gè)以上的溫度不同的熱源 ,使工作物 質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?,向低溫?zé)嵩捶艧?。對(duì)外做功的機(jī)置。熱機(jī)的簡(jiǎn)化工作原理圖如圖 1 所示。 圖 1 熱機(jī)簡(jiǎn)化原理圖 熱機(jī)循環(huán) 工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰崴黾拥膬?nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外做的有用功 ,還需對(duì)外放出一部分熱量 ,這是由循環(huán)過(guò)程的特點(diǎn)決定的。 所謂循環(huán)過(guò)程 ,是指系統(tǒng) (即工作物質(zhì) )從初態(tài)出發(fā) ,經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài) ,最后回到原來(lái)狀態(tài)的過(guò)程。一個(gè)循環(huán)過(guò)程在 PV 圖上即為一條閉合的循環(huán)曲線 ,在循環(huán)過(guò)程中熱機(jī)所做的凈功就是指 PV 圖上循環(huán)曲線所圍的面積 ,如圖 2 中陰影部分面積所示。 圖 2 熱機(jī)循環(huán) 對(duì)于在 PV 圖上順時(shí)針變化的循環(huán) ,系統(tǒng)從較高溫度的熱源吸熱 ,向較低溫度的熱源放熱 ,在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中 ,系統(tǒng)對(duì)外界做出凈功 ,即為熱機(jī)。而對(duì)于逆時(shí)針變化的循環(huán) ,系統(tǒng)從溫度較低的熱源吸熱 ,向溫度較高的熱源放熱 ,在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中 ,外界對(duì)系統(tǒng)做凈功 ,即為制冷機(jī)或熱泵。綜上可見(jiàn) ,在 PV 圖上順時(shí)針循環(huán)為熱機(jī) ,逆時(shí)針循環(huán)為制冷機(jī)。 熱機(jī)效率 —— 僅與兩個(gè)熱源接觸情形 對(duì)于一個(gè)熱機(jī) ,由熱力學(xué)第二定律知 :不可能從單一熱源吸熱 ,不需對(duì)
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