物理学学年论文

1、论文成绩学年论文题 目 热力学第二定律 姓 名 邱黄鹏 学 号 1010407020 专业年级 10级物理学七班 指导教师 欧阳生德 2012年 5 月 20 日热力学第二定律摘要热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处(在自然状态下)。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。热力学第二定律有两种经典表述，二者表述具有等效性。法国人尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺的研究（卡诺循环，卡诺定理）包含了热力学第二定律的基本思想。热力学第二定律揭示了实际宏观过程的不可逆性。热力学第二定律在科学发展上具有很

2、多的意义，也揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。关键词 热力学第二定律，卡诺循环，意义, 不可逆，历史发展引言 本论文主要是以大一学年，热学课程为背景选材。热力学第二定律是有关热和功等能量形式相互转化的方向与限度的规律，进而推广到有关物质的变化过程的方向与限度的普遍规律。热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。本论文主要是对热力学第二定律的初步理解与分析。一、 热力学第二定律的两种经典表述1. 开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。 解释： （1）这里强调的是“不

3、留下其他任何变化”，是指对热机内部、外界环境及其他所有（一切）物体都没有任何变化。 开尔文普朗特说法说明了热转化为功，必须要将一部分热量转给低温物体（注意，这可是一个自发过程，高温向低温传热哦），也即必须要有一个“补偿过程”为代价。 （2）热全部转化为功，是可以的，但必须要“留下其他变化”。如等温过程中，热可以全部转变成功，但这时热机内部工质的“状态”变了（即工质不能回到初始状态。其实，这样的热机实际上是不存在的），是留下了变化的。2. 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生任何其他影响。 解释： （1）这里需要强调的是“自发地、不付代价地”。我们通过热泵装置是可以实现“将热

4、从低温物体传向高温物体的”，但这里是付出代价的，即以驱动热泵消耗功为代价，是“人为”的，是“强制”的，不是“自发”的。所以，非自发过程，如热从低温物体传向高温物体，必须同时要有一个自发过程为代价（这里是机械能转化为热能）为补偿，这个过程叫“补偿过程”。 （2）非自发过程（如热从低温物体传向高温物体）能否进行，还要看花的“代价”是否够，就是总系统（孤立系）的熵必须是增加的，或可逆下总熵不变。也就是说，如果投入的“代价”不够的话，非自发过程是不能进行的，或是进行得不够彻底（不能达到预计的状态）。孤立系总熵变不小于零，非自发过程才有可能进行。3. 两种表述的关系 两种等效性的证明： 应用反证法。 假

5、设开尔文（以下简称开氏）说法成立，而克劳修斯（以下简称克氏）不成立（即热量可以自发地从低温物体传向高温物体而不留下其他变化）。 （1）按照开氏说法，一热机有两个热源工作在温度为T1、T2两个热源之间，并从高温热源T1吸热Q1，对外做功W并向冷源T2放热Q2，显然Q1=W+Q2。 （2）若克氏说法不成立，即可从低温热源T2自发向高温热源T1传热，并假定传热量为Q2。 （3）现在，将上述二者合在一起，形成一个新的热机，并考察综合效果，得出的结论是：新热机从单一热源T1吸收热量(Q1-Q2)，并对外做功W，外界与新热机均无变化。这显然违背了开氏说法。 所以，若克氏说法不成立，必然导致开氏说法也不成立

6、。同理也可以证明，若克氏说法成立，而开氏说法不成立，同样也导致克氏说法也不成立。 由此可知，如果假定某一说法不成立就必然导致另一说法也不成立，但这违背了假设条件：开氏说法成立而克氏说法不成立的假设。 因此，开氏说法成立，克氏说法也成立，二者等效。二、 卡诺循环 卡诺循环（Carnot cycle）是一个特别的热力学循环，使用在一个假想的卡诺热机上，由法国人尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出，克拉珀龙于1830年代至1840年代扩充，是为了找出热机的最大的工作效率而分析热机的工作过程。图一：1824年绘制的卡诺机示意图图二：卡诺循环的温度熵作图。图三：卡诺

7、循环的压力体积作图。图四：卡诺循环的温度体积变化卡诺循环全由可逆过程组成，其中包括：§ 图一AB、图二12，可逆等温膨胀：此等温的过程中系统从高温热库吸收了热量且全部拿去作功。§ 图一BC、图二23，等熵（可逆绝热）膨胀：移开热库，系统对环境做功，其能量来自于本身的内能。§ 图一CD、图二34，可逆等温压缩：此等温的过程中系统向低温热库放出了热量。同时环境对系统做正功。§ 图一DA、图二41，等熵（可逆绝热）压缩：移开低温热库，此绝热的过程系统对环境作负功，系统在此过程后回到原来的状态。卡诺热机的热效率只取决于第一个状态的温度T1与第二个状态的温度T2，

8、以及从环境中吸收的热量Q1和放出的热量Q2，其热效率=。因存在于现实中的热机都是以不可逆循环来工作，现实中相同状态下没有任何热机的效率可以达到以皆由可逆过程组成的可逆循环来工作的卡诺热机的效率。根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。卡诺循环具有极为重要的理论和实际意义。虽然，完全按照卡诺循环工作的装置是难以实现的，但是卡诺循环却为提高各种循环热效率指明了方向和给出了极限值。卡诺意义卡诺的研究具有多方面的意义。他的工作为提高热机效率指明了方向；他的结论已经包含了热力学第二定律的基本思想，只是热质观念的阻碍，他未能完全探

9、究到问题的最终答案。由于卡诺英年早逝，他的工作很快被人遗忘。后来，由于法国工程师克拉珀珑（BPEClapeyron，17991864）在1834 年的重新研究和发展，卡诺的理论才为人们所注意。克拉珀珑将卡诺循环在一种“压（力）-容（积）图”上表示出来，并证明卡诺热机在一次循环中所做的功，其数值恰好等于循环曲线所围的面积。克拉珀珑的工作为卡诺理论的进一步发展创造了条件。三、 热力学中的不可逆性 在热力学领域中，不可逆过程是相对可逆过程而言的，指的是在时间反演变换下只能单向进行的热力学过程，这种热力学过程所具有的性质被称作不可逆性。从热力学角度而言，自然界中所有复杂的热力学过程都具有宏观上的不可逆

10、性。宏观上不可逆性现象产生的原因在于，当一个热力学系统复杂到足够的程度，组成其系统的分子之间的相互作用使系统在不同的热力学态之间演化；而由于大量分子运动的高度随机性，分子和原子的组成结构和排列的变化方式是非常难于预测的。热力学状态的演化过程需要分子之间彼此做功，在做功的过程中也伴随有能量转换以及由分子间摩擦和碰撞引起的一定热量的流失和耗散，这些能量损失是不可复原的。克劳修斯熵与不可逆性十九世纪五十年代德国物理学家鲁道夫·克劳修斯通过引入他的熵概念，首次在数学上量化解释了热力学过程的不可逆性。克劳修斯从热机的效率出发，认识到正转变（功转变成热量）可以自发进行，而负转变（热量转变成功）作

11、为正转变的逆过程却不能自发进行。负转变的发生需要同时有一个正转变伴随发生，并且正转变的能量要大于负转变，这实际是意味着自然界中的正转变是无法复原的。克劳修斯在他1854年的随笔关于热的力学理论的第二基础定理的一个修正形式中有相关描述。玻尔兹曼对不可逆性的统计诠释宏观上具有大量分子数的热力学系统的行为是具有统计性的，它受到同样具有统计意义的热力学定律的制约。而从微观上看，单个分子的行为受到牛顿力学的制约，而包括牛顿力学在内的所有基础性物理定律都在时间反演下成立，也就是说单个分子的微观行为，如单个分子的运动和碰撞是具有可逆性的。如此说来，如果一个低熵的热力学系统随时间演化而到达了高熵的平衡态，从单

12、个分子的微观角度来看这种演化是可逆的，即每个分子都有可能通过时间反演变换下的运动回到初始状态。然而对于整个具有大量分子数的宏观系统而言这是不可逆的，这是由于分子数量庞大，很难找到这样一种特殊情形能够使所有分子都满足回到初始状态的条件。而对于具有高熵的平衡态而言，可能的分子组态数量远比初始的低熵的分子组态数量多得多，从而在统计意义下，几乎不可能出现这样使热力学系统获得负熵的可逆过程。这就是奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼在十九世纪七十年代对不可逆性作出的统计诠释,在他1877年10月的一篇名为热的力学理论第二定律和概率计算或与热平衡有关的几个定律的论文中，他指出：“大多数情况下，初始状

13、态也许是概率极小的伏态。系统由此向更大概率的状态过渡，最后达到最概然状态，即热平衡状态。若把这个观点试用于热力学第二定律，则通常称为熵的这个量等同于这里所讨论的状态发生的概率。”从这里的“熵等同于状态发生的概率”这一概念出发，玻尔兹曼定义了所谓玻尔兹曼熵的概念，即熵正比于热力学概率（分子组态数）的自然对数：其中k是玻尔兹曼常数，W是热力学概率，即热力学系统所有可能出现的分子组态数。四、 近年来对热力学第二定律的质疑热力学第二定律是建立在对实验结果的观测和总结的基础上的定律。虽然在过去的一百多年间未发现与第二定律相悖的实验现象，但始终无法从理论上严谨地证明第二定律的正确性。自1993年以来，De

14、nis J.Evans等学者在理论上对热力学第二定律产生了质疑，从统计热力学的角度发表了一些关于“熵的涨落的理论，比如其中比较重要的FT理论2。而后G.M.Wang等人于2002在Physical Review Letters上发表了题为小系统短时间内有悖热力学第二定律的实验证明3。从实验观测的角度证明了在一定条件下热，孤立系统的自发熵减反应是有可能发生的。虽然这些新的发现不至于影响到现存热力学的应用，但必然将对未来热力学的研究产生一定的影响。热力学第二定律是宏观定律，不是微观定律，因此这里所说的“质疑”，并不是对热力学第二定律的质疑，只是一种就像量子力学对牛顿力学一样的补充。五、 热力学第二

15、定律的意义热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 第二类永动机（不可能制成） 只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。 因为第二类永动机效率为100%，虽然它不违法能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。第二类永动机违法了热力学第二定律。参考文献1. 恩里科 · 费米. 热力学.

16、多佛. 1956年版.2. 赵凯华,罗蔚茵. 新概念物理教程：热学. 高等教育出版社. 1992年版.3. 黄淑清, 聂宜如, 申先甲.热学教程（第二版）.高等教育出版社. 1994年版.4. 郭奕玲, 沈慧君.清华大学出版社物理学史.2000年版.5. 龚昌德.热力学与统计物理学.高等教育出版社.1984年版.怀化学院学年论文评分表学年论文题目：姓名学号系别专业评价指标指标内涵分值评分选题质量目标要求符合专业培养目标，体现综合训练基本要求20选题难度选题难易度适宜，体现教学计划对本科教学环节所规定的要求工 作 量论文安排科学、合理，与学校计划安排规定的完成时间吻合综合实际有较高的理论价值或实际价值能力水平查阅文献能运用多种手段查阅有关文献资料，有一定的广度30综合运用知 识综合运用知识能力强，能较系统地运用相关理论与知识解决实际问题方案设计研究方案设计科学、合理，能较好体现专业培养目标方法手