【文章內(nèi)容簡介】 亂的無規(guī)則運(yùn)動，是物質(zhì)的一種特殊運(yùn)動形式，它比機(jī)械運(yùn)動要更高級、更復(fù)雜。物體的冷熱程度完全由大量微觀粒子的這種無規(guī)則運(yùn)動的強(qiáng)度所決定。所謂的無規(guī)則運(yùn)動只是指大量微粒中各個單個微粒的運(yùn)動的徑跡表現(xiàn)得雜亂而沒有規(guī)律。但這并不說明微粒的運(yùn)動完全沒有規(guī)律性，事實上，只要微粒數(shù)量足夠大，這大量微粒無規(guī)則運(yùn)動的總和總是能表現(xiàn)出新的現(xiàn)象和新的規(guī)律性，這些規(guī)律當(dāng)然是不能從力學(xué)定律導(dǎo)出，而只能用統(tǒng)計方法導(dǎo)出。譬如，就大量分子微粒來說，大量分 子熱運(yùn)動的平均平動動能就是一個統(tǒng)計規(guī)律，它是表征分子無規(guī)則熱運(yùn)動強(qiáng)度最適當(dāng)?shù)奈锢砹?。平均平動動能越高，分子無規(guī)則熱運(yùn)動就越劇烈，物體也就越熱，溫度也就越高。 至于熱現(xiàn)象乃指一切與溫度有關(guān)的物體性質(zhì)的變化。例如膨脹、收縮、熔解、凝固、蒸發(fā)、凝結(jié)、擴(kuò)散等等。 應(yīng)當(dāng)指出，一個物體總是由大量微粒（分子）組成的，物體所表現(xiàn)出來的種種熱現(xiàn)象應(yīng) 是大量分子熱運(yùn)動共同起作用的結(jié)果。只有一個微粒（分子）時，像膨脹、熔解等熱現(xiàn)象根本沒有意義。因此，單個分子無規(guī)則運(yùn)動決不會產(chǎn)生熱現(xiàn)象。 另外，大量分子有規(guī)則運(yùn)動也不能產(chǎn) 生熱現(xiàn)象。如把物體放在汽車上跟著汽車一起運(yùn)動，這時每個分子除了無規(guī)則的運(yùn)動外，還獲得了和汽車相同的整體運(yùn)動速度。全體分子的這種整體宏觀機(jī)械運(yùn)動并不引起像膨脹、溶解一類的物體性質(zhì)的任何變化，并沒有熱現(xiàn)象產(chǎn)生，也就是說物體分子的這種運(yùn)動并不導(dǎo)致物體溫度的改變。但話得說回，分子整體的宏觀機(jī)械運(yùn)動倒可以轉(zhuǎn)變成為分子的無規(guī)則熱運(yùn)動。例如，把兩塊冰進(jìn)行摩擦，由于冰塊并不是絕對平滑的，冰塊的表面分子之間可以發(fā)生各種形式的碰撞，碰撞的結(jié)果使許多分子獲得了另外方向的混亂的速度，因而把向著摩擦方向的整體運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)則熱運(yùn)動。 運(yùn)動形式的這種轉(zhuǎn)變就引起冰塊變熱，逐漸熔解。把分子有規(guī)則的運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿訜o規(guī)則熱運(yùn)動來進(jìn)行加熱的方式是多種多樣的，除了摩擦生熱以外，通電流也可以使導(dǎo)線發(fā)熱。在金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流是電子在沿著電場反方向整體運(yùn)動所引起的。但電子不時地碰撞在平衡位置附近振動的原子，把自己的一部分能量傳給了原子（實為離子），于是就引起了原子無規(guī)則熱運(yùn)動的加強(qiáng)，使得導(dǎo)線發(fā)熱。燃燒使溫度升高，則是因為氧原子與碳原子在結(jié)合過程中，把原來一部分分子內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了分子之間無規(guī)則熱運(yùn)動的動能。無規(guī)則運(yùn)動的加強(qiáng)，就引起了溫度的升高． 以上 ，我們用了一定的篇幅，對熱、熱運(yùn)動和熱現(xiàn)象分別作了闡述?？梢钥闯?，它們?nèi)咧g既有區(qū)別又有聯(lián)系，是三個不同的熱學(xué)概念。但作為本節(jié)的結(jié)束，我們還不得不對“ 熱 ” 的概念作一補(bǔ)充說明。在日常生活中， “ 熱 ” 其實是一個具有多種含義的字，即使在物理學(xué)中的不同場合下，它也有不同的含義。所以，我們要特別注意從概念上加以區(qū)別。以下幾種情況下的 “ 熱 ” 字就代表了不同的含義。 （ 1）摩擦生熱 —— 表示機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為內(nèi)能，這里的 “ 熱 ” 字指的是內(nèi)能。 （ 2）電烙鐵通電以后，很快就熱起來了 —— 這里的 “ 熱 ” 字表示冷熱程度，即表示溫度升 高的意思。 （ 3）熱功當(dāng)量 —— 這里的 “ 熱 ” 字指的是熱量，表示熱量與功在改變物體內(nèi)能數(shù)量上具有相當(dāng)關(guān)系。 （ 4）熱與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活有密切關(guān)系 —— 這里的 “ 熱 ” 字表示的是物質(zhì)的一切熱現(xiàn)象。 除以上四句例子外，生活中還能找到很多例子，這里不再一一列舉。希望讀者能結(jié)合碰到的問題，自行判斷 “ 熱 ” 字的含義。 熱力學(xué)第二定律的建立 熱力學(xué)第二定律是由德國物理學(xué)家克勞修斯和英國物理學(xué)家開爾文 (威廉湯姆孫 )建立的，它和熱力學(xué)第一定律及熱力學(xué)第三定律一起，成為研究熱的動力理論的基本規(guī)律． (1)熱力學(xué) 第二定律建立的歷史背景 19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)已有很大發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、交通運(yùn)輸，但當(dāng)時對蒸汽機(jī)的理論研究還很缺乏，法國工程師 s．卡諾在這方面做出了突出的貢獻(xiàn)． 卡諾在 1824年發(fā)表了《論火的動力》．他撇開一些次要的因素，由理想循環(huán)人手，研究了熱機(jī)工作中的最基本因素，提出了以卡諾命名的有關(guān)熱機(jī)效率的定理，明確指出：“凡是有溫度差的地方，就能夠發(fā)生動力”，“動力不依賴于提供它的工作物質(zhì)，動力的大小唯一地由熱質(zhì)在其間轉(zhuǎn)移的一些物體的溫度決定”．在證明這一定理時，他采用了熱質(zhì)守恒的思想和永動機(jī)不可 能的原理．其實卡諾定理已內(nèi)涵了熱力學(xué)第二定律的思想，但終究因為熱質(zhì)說的錯誤觀點(diǎn)，沒能作進(jìn)一步的研究不過可以說卡諾定理是建立熱力學(xué)第二定律的先導(dǎo)． 1840—— 1847年間，熱力學(xué)第一定律建立起來了，它說明熱機(jī)提供的動力只依靠熱質(zhì)在冷、熱源之間重新分配的說法是不正確的．因此，非常需要對卡諾的理論作進(jìn)一步審核， 把他的原理建立在新的熱學(xué)理論的基礎(chǔ)上． 1848年，開爾文根據(jù)卡諾提出的“一切理想熱機(jī)在同樣的熱源與冷源之間工作時，其效率相等，與使用的工作物質(zhì)無關(guān)”的理論，建立了絕對溫標(biāo)的概念．這一溫標(biāo)具有一定 的特點(diǎn)，例如：“這一溫標(biāo)系統(tǒng)中的每一度的間隔都有同樣的數(shù)值”，“它完全不依賴于任何特殊物質(zhì)的物理性質(zhì)”，因此被稱為絕對溫標(biāo)．這種熱力學(xué)溫標(biāo)的建立，從理論上解決了各種經(jīng)驗溫標(biāo)不相一致的缺點(diǎn)，并為熱力學(xué)第二定律的建立準(zhǔn)備了條件． (2)熱力學(xué)第二定律建立的過程 在上述歷史背景和前提條件下，克勞修斯集中大部分時間，精心研究了熱力學(xué)問題，從不同角度發(fā)表了多篇文章．提出并完善了著名的熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述． 1850年，克勞修斯發(fā)表了《論熱的動力以及由此推出的關(guān)于熱學(xué)本身的諸定律》的論文，他從“熱 并不是一種物質(zhì)，而是存在于物體的最小粒子的一種運(yùn)動”的觀點(diǎn)出發(fā)，重新考察了卡諾所提出的理論后指出：卡諾得出熱量由熱體向冷體傳遞時產(chǎn)生當(dāng)量的功是正確的，而在由熱體向冷體傳遞時沒有熱量損失是錯誤的．克勞修斯認(rèn)為在由熱做功的過程中，一部分熱做了機(jī)械功，另一部分熱通過從熱體向冷體傳遞而耗散掉．克勞修斯通過 — 個假想 的實驗，得出熱力學(xué)第二定律的初次表述：“在沒有任何力消耗或其他變化的情況下，把任意多的熱量從冷體傳到熱體是和熱的慣常行為矛盾的．”后在 1854年發(fā)表《力學(xué)的熱理淪的第二定律的另一形式》中，將熱力學(xué)第二定 律的表述改變?yōu)椋骸盁岵豢赡苡衫潴w傳到熱體，如果因而不同時引起其他關(guān)系的變化”． 克勞修斯在取得一定成就后，仍繼續(xù)自己的研究工作， 1865年發(fā)表《力學(xué)的熱理論的主要方程之便于應(yīng)用的形式》一文，明確地提出了熵的概念，并進(jìn)一步提出了熱力學(xué)第二定期普遍表示式： 等號適用于可逆循環(huán)，不等號適用示不可逆過程．這個式子說明熵變具有方向性，對于絕熱過程，系統(tǒng)的熵不可能減小，這就是所謂的熵增加原理．并規(guī)定熵增加的方向為正向，熵減少的方向為負(fù)向． 1867年，克勞修斯又發(fā)表了《關(guān)于熱的動力理論的第二定律》一文，總結(jié)出一條原理：“負(fù)的轉(zhuǎn)變只能在有補(bǔ)償條件下發(fā)生，而正的轉(zhuǎn)變即使沒有補(bǔ)償也能發(fā)生，或者簡要地說，不需補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)彎只夠是正的轉(zhuǎn)變”． 1875年，克勞修斯在《熱的動力理論》 — 交中，將熱力學(xué)第