浅论热力学第二定律的发展与应用

热工学课程论文 题 目 浅论热力学第二定律的发展与应用 学 院 工程技术学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2012 级 学 号 姓 名 指 导 教 师 成 绩 2014 年 12 月 2 目录 摘要 3 1 前言 3 2 热力学第二定律的建立及其发展 3 2 1 热力学第二定律建立的历史过程 3 2 2 热力学第二定律的实质 4 2 2 1 可逆过程与不可逆过程 4 2 2 2 开氏与克氏的两种表述 4 2 3 热力学第二定律的含义 5 3 热力学第二定律的应用 5 3 1 通过熵增原理 理解能源危机 5 3 2 理解时间的流逝 6 3 3 黑洞温度的发现 6 3 4 形成宇宙的耗散结构理论 7 4 总结 7 参考文献 7 3 浅论热力学第二定律的发展与应用 xxx xxx 西南大学工程技术学院 2012 级机械设计制造及其自动化 1 班 摘要摘要 热力学第二定律是热力学的基本定律之一 是指热不可能自发地 不付代价地从低温 物体传到高温物体或者说不可能制造出只从一个热源取得热量 使之完全变成机械能而不 引起其他变化的循环发动机 它是关于在有限空间和时间内 一切和热运动有关的物理 化学过程具有不可逆性的经验总结 本文综述了该定律的提出 演变历程 并介绍了它在 工农业生产和生活中的应用 关键词关键词 热力学第二定律 演变历程 应用 1 1 前言前言 热力学第二定律 不仅决定了能量转移的方向问题 对信息技术 生命科 学以及人文科学的发展都起到了非常重要的作用 应用极其广泛 热力学第二 定律对新世纪的科学技术乃至整个社会的发展都产生重要影响 2 2 热力学第二定律的建立及其发展热力学第二定律的建立及其发展 2 12 1 热力学第二定律建立的历史过程热力学第二定律建立的历史过程 19 世纪初 巴本 纽可门等发明的蒸汽机经过许多人特别是瓦特的重大改 进 已广泛应用于工厂 矿山 交通运输 但当时人们对蒸汽机的理论研究还 是非常缺乏的 热力学第二定律就是在研究如何提高热机效率问题的推动下 4 逐步被发现的 并用于解决与热现象有关的过程进行方向的问题 1824 年 法国陆军工程师卡诺在他发表的论文 论火的动力 中提出了著 名的 卡诺定理 找到了提高热机效率的根本途径 但卡诺在当时是采用 热 质说 的错误观点来研究问题的 从 1840 年到 1847 年间 在迈尔 焦耳 亥 姆霍兹等人的努力下 热力学第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起来了 热动说 的正确观点也普遍为人们所接受 1848 年 开尔文爵士根据卡诺定 理 建立了热力学温标 它完全不依赖于任何特殊物质的物理特性 从理论上 解决了各种经验温标不相一致的缺点 这些为热力学第二定律的建立准备了条 件 1850 年 克劳修斯从 热动说 出发重新审查了卡诺的工作 考虑到热传 导总是自发地将热量从高温物体传给低温物体这一事实 得出了热力学第二定 律的初次表述 后来历经多次简练和修改 逐渐演变为现行物理教科书中公认 的 克劳修斯表述 与此同时 开尔文也独立地从卡诺的工作中得出了热力学 第二定律的另一种表述 后来演变为更精炼的现行物理教科书中公认的 开尔 文表述 上述对热力学第二定律的两种表述是等价的 由一种表述的正确性完 全可以推导出另一种表述的正确性 2 22 2 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质 2 2 12 2 1 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 一个热力学系统 从某一状态出发 经过某一过程达到另一状态 若存在 另一过程 能使系统与外界完全复原 则原来的过程称为 可逆过程 反之 如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原 则称之为 不可逆过程 可逆过程是一种理想化的抽象 严格来讲现实中并不存在 大量事实告诉我们 与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程 2 2 22 2 2 开氏与克氏的两种表述开氏与克氏的两种表述 开尔文从热功转换的角度表述了第二定律 不可能从单一热源吸取热量使 之完全转变为功而不产生其它影响 也就是说 自然界中任何形式的能都可以 5 变成热 而热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能 德国 物理学家克劳修斯从热量传递的方向性角度 提出了热力学第二定律的另一种 表述 热量可以自发地从较热物体传递至较冷物体 但不能自发地较冷物体传 递至较热物体 在自然条件下这个转变过程是不可逆的 要使热传递方向倒转 只有靠消耗功来实现 2 32 3 热力学第二定律的含义热力学第二定律的含义 热力学第二定律 热力学基本定律之一 内容为不可能把热从低温物体传 到高温物体而不产生其他影响 不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的 功而不产生其他影响 不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零 热力学第二定律 也可以确定一个新的态函数 熵 可以用熵来对第二 定律作定量的表述 第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原 要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用 由此可见 热力学系统所进行 的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异 这种差异决定了过程的方向 在孤立系统内对可逆过程 系统的熵总保持不变 对不可逆过程 系统的熵总 是增加的 这个规律叫做熵增加原理 这也是热力学第二定律的又一种表述 3 3 热力学第二定律的应用热力学第二定律的应用 3 13 1 通过熵增原理 理解能源危机通过熵增原理 理解能源危机 按热力学第二定律的数学表达式 对于与外界既无能量交换又无物质交换 的孤立系统 必有 ds 0 这就是熵增原理 在孤立系统或绝热系统中进行的 一切不可逆过程向熵增加的方向演化 直到熵函数达到最大为止 在孤立或绝 热条件下 系统自发地由非平衡态趋向平衡态的过程 正是一种熵增的过程 平衡态对应最大熵 一定的外部条件确立系统的平衡态 最大熵也是指在一定 外部条件下的最大 当人们燃烧煤 石油原子核 能量的问题并无变化 从热 6 力学第一定律来看这一切 能量不会消失 也就不可能有能源危机 但是如果 从热力学第二定律来看这一切 就会使人们担心 燃烧资源 其结果是世界的 熵无情地增加 它所贮存的能量的 质 随之衰退 并向空间弥散 于是我们 把自己带进了能源危机之中 我们要做的不是保住能的数量 而是要珍惜它的 质 应该合理使用能量 降低熵的产生 提高能量的利用效率 并不断开发 新能源 3 23 2 理解时间的流逝理解时间的流逝 热力学第二定律是自然界所有单方向变化过程的共同规律 而时间的变化 就是一个单向的不可逆的过程 因此可以这样假设 时间的运动方向 就是熵 增加的方向 由此 热力学第二定律就给出了一个时间箭头 通过进一步研究 表明 能量守恒与时间的均匀性有关 即热力学第一定律告诉我们 时间是均 匀流逝的 这两条定律合在一起就是 时间在向着特定的方向均匀地流逝着 3 33 3 黑洞温度的发现黑洞温度的发现 1972 年 30 岁的英国青年物理学家霍金 提出了黑洞的 面积定理 证 明了黑洞的面积 A 随时间变化只能增加 不能减少 即 0 A 这个定理认为 物质落入黑洞 两个黑洞相撞等导致黑洞面积增加的过程 是可以发生的 而一个黑洞分裂为两个黑洞的情况 由于会导致黑洞面积减少 因而是不可能发生的 面积定理 不由使人想起热力学中的 熵 几乎与此同 时 青年物理学家贝根斯坦和斯马尔 各自独立得出了关于黑洞的一个重要公 式 这个公式把黑洞的一些参量组合成了类似于热力学第一定律的形式 QVJA k M 8 式中 M J Q 分别是黑洞的总质量 总角动量 总电荷 A V 分别是 黑洞的表面积 转动角速度和表面上的静电势 k 称为黑洞的表面重力 此公 式与普通转动物体的热力学第一定律表达式 QVJSTU 7 非常相似 式中 U T S 分别是系统的内能 温度和熵 J V Q 等 物理意义与前式类似 比较这两个公式不难看出 黑洞面积 A 确实像熵 S 而 黑洞的表面重力 k 非常像温度 T 3 43 4 形成宇宙的耗散结构理论形成宇宙的耗散结构理论 著名比利时物理学家普利高津认为热力学第二定律是自然界的一条基本规 律 他在不违背热力学第二定律的条件下 找到了开放系统由无序状态变为新 的有序状态的途径 他认为 开放系统的熵可以定义为 其中 为熵产生 由系统内不可逆过程产生 为熵流 由系统与外 界交换能量或物质所引起 熵产生 远不可能为负值 而熵流 则可 正可负还可以是零 由于外界有时候有负熵流入 系统的总熵可以保持不变乃 至减小 系统保持稳定或者达到有序形成 耗散结构 由此 普利高津得出我 们的宇宙是一个无限发展的开放系统 自然界不会变得越来越无序 而会变得 越来越丰富多彩 会形成各种新的有序结构 宇宙不可能处于 热寂 状态 从目前人类对天文观测的事实发现 宇宙是向着 热寂 发展 从而证实了普 利高的热力学第二定律的应用正确性 4 4 总结总结 热力学第二定律是关于在有限空间和时间内 一切和热运动有关的物理 化学过程具有不可逆性的经验总结 它对于人类改进蒸汽机 内燃机和开发利 用能源具有重要的指导意义 当然现在还存在很多现象需要我们去探索与总结 所以物理探索的步伐永远都不会停止 8 参考文献参考文献 1 陈黟 吴味隆 热工学 M 北京 高等教育出版社 2004 2 康立志 浅析热力学第二定律的应用 J