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漫談熱力學(xué)第二定律物理知識點(diǎn)講解
漫長的學(xué)習(xí)生涯中，是不是經(jīng)常追著老師要知識點(diǎn)？知識點(diǎn)在教育實(shí)踐中，是指對某一個知識的泛稱。相信很多人都在為知識點(diǎn)發(fā)愁，下面是小編收集整理的漫談熱力學(xué)第二定律物理知識點(diǎn)講解，歡迎閱讀，希望大家能夠喜歡。
一、熱力學(xué)第二定律建立的歷史過程
19世紀(jì)初，巴本、紐可門等發(fā)明的蒸汽機(jī)經(jīng)過許多人特別是瓦特的重大改進(jìn)，已廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、交通運(yùn)輸，但當(dāng)時人們對蒸汽機(jī)的理論研究還是非常缺乏的。熱力學(xué)第二定律就是在研究如何提高熱機(jī)效率問題的推動下，逐步被發(fā)現(xiàn)的，并用于解決與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程進(jìn)行方向的問題。
1824年，法國陸軍工程師卡諾在他發(fā)表的論文論火的動力中提出了著名的卡諾定理，找到了提高熱機(jī)效率的根本途徑。但卡諾在當(dāng)時是采用熱質(zhì)說的錯誤觀點(diǎn)來研究問題的。從1840年到1847年間，在邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人的努力下，熱力學(xué)第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起來了。熱動說的正確觀點(diǎn)也普遍為人們所接受。1848年，開爾文爵士(威廉湯姆生)根據(jù)卡諾定理，建立了熱力學(xué)溫標(biāo)(絕對溫標(biāo))。它完全不依賴于任何特殊物質(zhì)的物理特性，從理論上解決了各種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)不相一致的缺點(diǎn)。這些為熱力學(xué)第二定律的建立準(zhǔn)備了條件。
1850年，克勞修斯從熱動說出發(fā)重新審查了卡諾的工作，考慮到熱傳導(dǎo)總是自發(fā)地將熱量從高溫物體傳給低溫物體這一事實(shí)，得出了熱力學(xué)第二定律的初次表述。后來歷經(jīng)多次簡練和修改，逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)行物理教科書中公認(rèn)的克勞修斯表述。與此同時，開爾文也獨(dú)立地從卡諾的工作中得出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述，后來演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn)行物理教科書中公認(rèn)的開爾文表述。
上述對熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價的，由一種表述的正確性完全可以推導(dǎo)出另一種表述的正確性。
二、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)
1.可逆過程與不可逆過程
一個熱力學(xué)系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài)。若存在另一過程，能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原(即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時消除了原來過程對外界的一切影響)，則原來的過程稱為可逆過程。反之，如果用任何方法都不可能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則稱之為不可逆過程。
可逆過程是一種理想化的抽象，嚴(yán)格來講現(xiàn)實(shí)中并不存在(但它在理論上、計(jì)算上有著重要意義)。大量事實(shí)告訴我們：與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆過程。
2.對于開氏與克氏的兩種表述的分析
克氏表述指出：熱傳導(dǎo)過程是不可逆的。開氏表述指出：功變熱(確切地說，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能)的過程是不可逆的。
兩種表述其實(shí)質(zhì)就是分別挑選了一種典型的不可逆過程，指出它所產(chǎn)生的效果不論用什么方法也不可能使系統(tǒng)完全恢復(fù)原狀，而不引起其他變化。
請注意加著重號的語句：而不引起其他變化。比如，制冷機(jī)(如電冰箱)可以將熱量Q由低溫T2處(冰箱內(nèi))向高溫T1處(冰箱外的外界)傳遞，但此時外界對制冷機(jī)做了電功W而引起了變化，并且高溫物體也多吸收了熱量Q(這是電能轉(zhuǎn)化而來的)。這與克氏表述并不矛盾。
3.不可逆過程的幾個典型例子
例1(理想氣體向真空自由膨脹) 如圖1所示，容器被中間的隔板分為體積相等的兩部分：A部分盛有理想氣體，B部分為真空�，F(xiàn)抽掉隔板，則氣體就會自由膨脹而充滿整個容器。
例2(兩種理想氣體的擴(kuò)散混合) 如圖2所示，兩種理想氣體C和D被隔板隔開，具有相同的溫度和壓強(qiáng)。當(dāng)中間的隔板抽去后，兩種氣體發(fā)生擴(kuò)散而混合。
例3 焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)。
這是一個不可逆過程。在實(shí)驗(yàn)中，重物下降帶動葉片轉(zhuǎn)動而對水做功，使水的內(nèi)能增加。但是，我們不可能造出這樣一個機(jī)器：在其循環(huán)動作中把一重物升高而同時使水冷卻而不引起外界變化。由此即可得熱力學(xué)第二定律的普朗克表述。
再如焦耳-湯姆生(開爾文)多孔塞實(shí)驗(yàn)中的節(jié)流過程和各種爆炸過程等都是不可逆過程。
4.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)
對上面所列舉的不可逆過程以及自然界中其他不可逆過程，我們完全能夠由某一過程的不可逆性證明出另一過程的不可逆性，即自然界中的各種不可逆過程都是互相關(guān)聯(lián)的。我們可以選取任一個不可逆過程作為表述熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)。因此，熱力學(xué)第二定律就可以有多種不同的表達(dá)方式。
但不論具體的表達(dá)方式如何，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的，并指出這些過程自發(fā)進(jìn)行的方向。
三、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義
熱現(xiàn)象是與大量分子無規(guī)則熱運(yùn)動相聯(lián)系的。我們以上述不可逆過程(如例1中理想氣體的真空自由膨脹)為例，來簡單說明熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義。
如圖1所示，拉開隔板后，A部分的理想氣體將進(jìn)入B(原為真空)中，從而充滿A、B整個空間。這個過程是不可逆的，我們從沒有見過這種現(xiàn)象：氣體自動地由整個容器收縮到A部分，而使B部分成為真空。這是為什么呢?
設(shè)容器中有1個分子，它退回到A部分的幾率為1/2;設(shè)容器中有2個分子，它們?nèi)客嘶氐紸部分的幾率為1/22=1/4;設(shè)容器中有3個分子，它們?nèi)客嘶谹部分的幾率為1/23=1/8;設(shè)容器中有1mol某種理想氣體(約6.021023個分子)。打一個有
趣的比喻：假若從動物園中逃出一只黑猩猩，溜進(jìn)了計(jì)算機(jī)室，用爪子在鍵盤上亂按。而將打印出的紙張按順序裝訂，恰巧是一部數(shù)百萬字的巨著大英百科全書。上述幾率比這個笑話的幾率還要小得不可比擬。
通過對上述簡單例子的分析，事實(shí)上是有一般意義的，即熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義是：一個不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部發(fā)生的過程，總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行，由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行。
四、熱力學(xué)第二定律的適用范圍
(1)熱力學(xué)第二定律是宏觀規(guī)律，對少量分子組成的微觀系統(tǒng)是不適用的。
(2)熱力學(xué)第二定律適用于絕熱系統(tǒng)或孤立系統(tǒng)，對于生命體(開放系統(tǒng))是不適用的。早在1851年開爾文在敘述熱力學(xué)第二定律時，就曾特別指明動物體并不像一架熱機(jī)一樣工作，熱力學(xué)第二定律只適用于無生命物質(zhì)。
(3)熱力學(xué)第二定律是建筑在有限的空間和時間所觀察到的現(xiàn)象上，不能被外推應(yīng)用于整個宇宙。19世紀(jì)后半期，有些科學(xué)家錯誤地把熱力學(xué)第二定律應(yīng)用到無限的、開放的宇宙，提出了所謂熱寂說。他們聲稱：將來總有一天，全宇宙都是要達(dá)到熱平衡，一切變化都將停止，從而宇宙也將死亡。要使宇宙從平衡狀態(tài)重新活動起來，只有靠外力的推動才行。這就會為上帝創(chuàng)造世界等唯心主義提供了所謂科學(xué)依據(jù)。
熱寂說的荒謬，在于把無限的、開放的宇宙當(dāng)做熱力學(xué)中所說的孤立系統(tǒng)。熱力學(xué)中的孤立系統(tǒng)與無所不包、完全沒有外界存在的整個宇宙是根本不同的。事實(shí)上，科學(xué)后來的發(fā)展已經(jīng)提供了許多事實(shí)，證明宇宙演變的過程不遵守?zé)崃W(xué)第二定律。正如恩格斯在《自然辯證法》中指出了熱寂說的謬誤。他根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動不滅的原理，深刻地指出：放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑指明這一途徑，將是以后自然科學(xué)的課題轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪贿\(yùn)動形式，在這種運(yùn)動形式中，它能重新集結(jié)和活動起來。熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第一定律一樣，是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，它的正確性是由它的一切推論都為實(shí)踐所證實(shí)而得到肯定的。
熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用：
熱力學(xué)第二定律表明自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的。不可逆過程指的是系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程后，需要借助外界的幫助才能（即不能自發(fā)的）重新回到原來狀態(tài)從而給外界留下痕跡，這樣的過程稱為不可逆過程。自然界中關(guān)于不可逆的過程有許多，例如，水往低處流，但水不能自發(fā)的從低處往高處流，必須借助幫助例如抽水機(jī)，但卻消耗了電能，給外界留下了痕跡，說明水的流動具有方向性。又例如熱量從高溫向低溫傳遞，但熱量不能自發(fā)從低溫向高溫傳遞，必須借助外界的幫助從而給外界留下痕跡。再例如物體在粗糙平面上滑行最終靜止，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，接觸面溫度升高，但此時內(nèi)能不可能自發(fā)的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得接觸面溫度降低，物體的動能變大，系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)。當(dāng)然，借助外界的幫助可以實(shí)現(xiàn)這個過程，但要引起外界的變化。種種現(xiàn)象表明，自然界有許多的宏觀過程具有方向性。
對于熱力學(xué)第二定律，學(xué)生總是有這樣以下誤解，有必要進(jìn)行澄清和鞏固理解。
首先認(rèn)為宏觀過程的方向性指的是系統(tǒng)可以從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變，但不能從該狀態(tài)回到原來狀態(tài)，對熱力學(xué)第二定律成立的條件理解不夠。例如，認(rèn)為熱量可以從高溫向低溫傳遞，但不能從低溫向高溫傳遞，實(shí)際上，該過程是可以實(shí)現(xiàn)的，只不過不是自發(fā)的，而是借助外界的幫助才能實(shí)現(xiàn)，這才是熱力學(xué)第二定律要告訴我們的信息。在這里，以冰箱的工作原理為例子來幫助學(xué)生理解。冰箱是通過消耗電能，壓縮工作物質(zhì)，通過工作物質(zhì)把熱量從低溫傳向高溫，在這里展現(xiàn)了低溫向高溫傳遞熱量過程的可實(shí)現(xiàn)性，但條件是什么，是消耗了電能，給外界造成影響，因而這一過程不是自發(fā)的，是不可持續(xù)的。
其次要強(qiáng)調(diào)的是熱力學(xué)第二定律與第一定律的關(guān)系。從一個過程到另一個過程盡管不違反熱力學(xué)第一定律，但卻違反熱力學(xué)第二定律。例如第二類永動機(jī)，它從單一熱源吸收熱量完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ灰鹌渌兓�。如果能�?shí)現(xiàn)，則可造這樣的一臺機(jī)器，直接從海水中吸收熱量用來全部做功，解決能源的短缺問題。在這個過程中，吸收的熱量轉(zhuǎn)變成了功，是遵守?zé)崃W(xué)第一定律的，但該過程要引起外界的變化，是不可持續(xù)的。這樣，進(jìn)一步鞏固了宏觀過程的方向性問題。
再次要指出的是熱力學(xué)第二定律表述的普遍性，因?yàn)榫哂蟹较蛐缘暮暧^過程是普遍存在的，因此，可以針對每一現(xiàn)象對熱力學(xué)第二定律進(jìn)行表述，例如可以表述成第二類永動機(jī)不可制成，不可能使墨水在水中擴(kuò)散后完全恢復(fù)而不引起外界的任何變化，不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化，不可能使燃燒后的紙完全恢復(fù)而不引起其他變化……這樣，就進(jìn)一步表明了自然界中具有方向性的宏觀過程是普遍存在的，加深了熱力學(xué)第二定律的理解和應(yīng)用。
最后，由于熱力學(xué)第二定律描述的是物理過程的因果轉(zhuǎn)化關(guān)系，具有一定的推理性，比較抽象，學(xué)生理解有誤差乃至不能應(yīng)用是很自然的，教師應(yīng)從多個角度剖析，校正理解的偏差，鞏固理解，加強(qiáng)應(yīng)用，方能達(dá)到教學(xué)的目標(biāo)。
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