大学物理课程论文

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大学物理课程论文



——热力学第二定律及思考







学院：数学与计算机科学学院 班级： 姓名： 学号：








热力学第二定律及思考

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【摘要】热力学第二定律是一个适用于大量分子集体的统计规律，它说明了自然界中功热

转换过程的不可逆性。从宏观方面，我们通过第二类永动机推论出这个定律，而在微观方面，我们通过热功转换、热传导、气体绝热自由膨胀来分析热力学第二定律的微观意义。我们用熵对热力学第二定律做定量的表述，热力学第二定律禁止时间反演。虽然现在对热力学第二定律还有一些质疑，但相信很快就会有一个示例来证明它的对错。

【关键词】热力学 定律 转换 意义 质疑

【引言】热力学第一定律说明的是在一切热力学过程中的能量守恒，作为热力学三大定律

中又一重要成员，热力学第二定律则告诉了我们热力学过程的方向规律，它决定了实际过程是否能够发生以及沿什么方向进行，所以也算是自然界的一条基本规律了，而围绕热力学第二定律所展开的一些问题也值得我们思考。

【正文】

1、热力学第二定律概述

说明自然宏观过程进行的方向的规律叫做热力学第二定律。而对它的内容表述有两种：一是克劳修斯于1850年提出的：热量不能自动地从低温物体传向高温物体他的表述中指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现；另一个是开尔文于1851年提出的：其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能的，他的表述中则指出自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来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，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。其实这两种表述是完全等效的。

2、第二定律的理论依据及相关延伸

就第二类永动机（也说成是单元热源机）来说，它只利用一个恒温热库工作，从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响。它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。它是不可能实现的。再从微观上来看，在热功转换中，是大量分子的有序运动向无序运动转化的过程，这是可能的，但相反来说，无序运动自动转化为有序运动是不可能的；在热传导中，是大量分子运动的无序性由于热传导而增大了，相反，两物体的分子运动从平均动能完全相同的无序状态自动的向平均动能不同的较为有序的状态进行的过程是不可能的；还有气体的绝热膨胀过程也说明了不可逆性的微观本质：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。

热力学第二定律，也确定了一个新的态函数——熵，我们可以用熵来对第二定律作定量的表述。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。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。当然在热现象中有这样一种考虑：一杯水初始温度等于室温T(0)，放在点燃酒精灯上，从酒精灯火焰吸收热量Q后温度为T(t)，进行时间反演，则是水的初温为T'(0)=T(t)，放在点燃酒精灯上，放出热量Q给酒精灯火焰，自身温度降为T'(t)=T(0)，这违背了第二定律关于热量只能从高温物体传向低温物体的陈述， 所以热力学第二定律禁止时间反演.

3、关于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。所以对热力学第二定律也有一些质疑产生：一些学者在理论上对热力学第二定律产生了质疑，而后他们做了一个小系统短时间内有悖热力学第二定律的实验，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，但我们也要通过自己的努力多学知识，争取早日证明这个定律的正确或错误。这也告诉我们科学是要不断追求和发现的。

【参考文献】

Ⅰ、《大学物理－热学、光学、量子物理》第三版，清华大学出版社； Ⅱ、《物理学》第五版——热力学第二定律的统计意义；

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