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热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第一定律是包括热现象在内的能量转换与守恒定律，任何热力学过程都必须遵守热力学第一定律.但是，遵守热力学第一定律的热力学过程是不是就一定能实现呢？无数的实验事实表明，并非所有满足能量守恒的热力学过程都能实现.例如，热量可以自动地由高温物体传向低温物体，却不能自动地由低温物体传向高温物体；运动物体的机械能可以通过克服摩擦力做功而转化为热能，却从未见过静止的物体吸收热量后，会自动转化成机械能而运动起来； 在容器中被隔在一半空间内的气体，当抽掉隔板后会向另一半空间膨胀，却未发现气体会自动收缩回到原来的一半空间；水会自动地由高处向低处流动，而不会自动逆向流动.上述大量事实说明，自然界中自发发生的热力学过程都具有方向性.这就意味着，自然界中除了热力学第一定律之外，一定还存在着另一条定律，用它可以判断过程进行的方向，这就是热力学第二定律. 热力学第二定律的表述 一、 热力学第二定律最初是在研究热机和制冷机的工作原理及如何提高效率的过程中总结出来的，它是说明自然界过程进行方向的规律.关于任何一个实际过程的方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述，但其中最有代表性的是开尔文表述和克劳修斯表述. 开尔文表述 1. 1851年，英国物理学家开尔文在总结了前人制造理想热机的大量实践后指出：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生任何其他影响. 所谓“不产生任何其他影响”是指除了吸热做功，即由热运动的能量转化为机械能外，不再有任何其他变化，也就是说热转变为功是唯一的结果.虽然在理想气体的等温膨胀过程中，吸收的热量全部转变为对外所做的功，即实现了完全的热功转换，但它自身的体积发生了变化，也就是产生了其他影响. 因此，这并不违反热力学第二定律.在前面讨论的热机循环过程中，系统从高温热源吸收的热量Q1，其中一部分Q1－Q2用来对外做功，另一部分Q2仍以热量的形式传递给低温热源，从而引起了外界的变化.因此，也没有违反热力学第二定律.理想热机是指效率η=1的热机，即在循环过程中，系统把从高温热源吸收的热量Q1全部转化为有用功而不向低温热源放出热量(Q2=0)．这种热机在完成一次循环后，除了从高温热源吸收的热量Q1全部对外做了功(W=Q1)外，系统恢复了原状，它并不违反热力学第一定律. 然而大量实验证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个恒温热源，热机要不断地把吸收的热量转化为有用功就必须把一部分热量传给低温热源.因此，人们把这种效率η=1的单一热源的热机称为第二类永动机.正如制造第一类永动机的设想一样，很多人的努力都以失败而告终.显然，它违反了热力学第二定律的开尔文表述，是不可能实现的.因此，热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的. 由于功热转换(机械能转换为热运动的能量)是可以自发进行的(如通过摩擦)，所以开尔文表述反映了热功转换的一种特殊规律，即自发过程中能实现的只是功热转换，而自发的热功转换是不可能的. 克劳修斯表述 2. 1850年，德国物理学家克劳修斯在总结了人们制造制冷机的大量实践后指出：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体. 虽然制冷机就是把热量从低温物体传到高温物体的，但在这一热量传递过程中，必须有外界对它做功，使外界消耗能量，可见，热量也不是自动地从低温物体传向高温物体的. 由于热量从高温物体传向低温物体是可以自发进行的，因此克劳修斯表述反映了热量传递过程的特殊规律，即自发过程中能实现的只是热量从高温物体传向低温物体，而从低温物体传向高温物体是不可能的. 应当指出，与热力学第一定律一样，热力学第二定律不能从更普遍的定律推导出来，它是大量实验和经验的总结，虽然人们不能直接去验证它的正确性，但从它得出的结论与客观实际相符. 两种表述的等价性 二、 开尔文表述主要针对热功转换的方向性问题，而克劳修斯表述则主要针对热传递的方向性问题.热力学第二定律的两种表述，从表面上看来好像没有什么联系，实际上，两者是等价的.人们可以采用反证法来证明两者的等价性. 首先，如果开尔文表述不成立，那么克劳修斯表述也不成立.假设开尔文表述不成立，即可以从高温热源T1吸收热量Q1，并把它全部转变为功W=Q1，而不产生任何其他影响，如图7- 16(a)所示. 图7- 16 假想制冷机原理图示 其次，如果克劳修斯表述不成立，那么开尔文表述也不成立.假设克劳修斯表述不成立，即存在一个制冷机不需要外界对它做功，热量Q2便可以自动地从低温热源T2传向高温热源T1，如图