物理化学热力学第二定律论文

热力学第二定律

摘要：热力学第二定律是一个基本的定律，本文主要论述热力学第二定律的

两种文字表述以及联系，熵的性质和表达方式，热力学第二定律的应用三大

方面。

关键字：热力学第二定律；熵；热机；卡诺循环。

一、热力学第二定律的文字表述及联系

人们的生活中，单方向的过程随处可见，即不可逆过程。这些不可逆过程是相互联系的，用一种不可逆过程可以推出另一种不可逆过程，即用某种不可逆过程来概述其它

不可逆过程，这个普遍原理就是热力学第二定律。经过科学家的不断研究与探索，总

结出了两种典型说法，克劳修斯说法:”不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化”。开尔文说法:”不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他变化”。克劳修斯的对象只有热，即热之间是不可逆的。而开尔文说法的对象是功和热，即热不可能完全转化为功。这两种说法中都有热，这说明所有有关于热的变化都是不

可逆的。这就是热力学第二定律的概念及表述。

克劳修斯说法与开尔文说法有一定的联系。即克劳修斯说法成立，则开尔文说法就一

定成立，若克劳修斯说法不成立，则开尔文说法就不成立。对此，我们可以用”反证法”来证明。假设若克劳修斯说法不成立，即热可以从低温热源B传到高温热源A，而不

引起其它变化，设吸收的热量为Q，再假设一个卡诺循环，若从高温热源A吸收一部分热量Q’传到低温热源B，一部分热量用于做功，在此过程中，高温热源没有发生任何变化，则从低温热源吸收的热（Q-Q’）转化为功。这个推理就否定了开尔文说法。另外，若我们否定了开尔文说法，即可以从单一热源取出热使之完全转化为功，设这

部分热量为Q1，做的有用功为W1（Q1=W1），我们在假想一个制冷装置，由这部分功所带动工作，它从另一个低温热源B吸收热量Q2，向热源A放出热量Q1’，等式满足Q1’=Q2+W1，即Q1’=Q2+Q1，则就否定了克劳修斯的说法。

热力学第二定律有很多的表达方式，但是不管怎么表达，它的实质都是：一切与热现

象有关的宏观过程都是不可逆的，并指出这些自发过程的方向

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二、熵的表达方式与性质

上述我们讨论了热力学第二定律的文字表达式，但是要准确描述热力学第二定律，还

需要引入一个函数，我们在此引入的是熵这个状态函数，熵函数是对热力学第二定律

的一个定量的表述，第二定律在自然界中，任何过程都不可能自动复原，要是物体从

始态变到初态需要借助于一定的外力作用，由此可见，热力学过程的始态和终态有着

一定的差异，这种差异决定了过程的方向。熵正负可以判断反应是否能够自发进行，

在熵增加原理中，我们都了解了在封闭体系中反应是在绝热的条件下进行的，若熵的

变化值是大于0的时候，反应是不可逆的，当熵的变化值是等于0的时候，反应是可

逆的。若是在隔离系统中，熵的值大于0不仅仅表示反应不可逆，还表示反应是自发

进行的，我们应该把系统和环境的熵看作是总熵。对于总熵应如何计算呢？这时就应

该知道熵的数学表达式，热力学第二点定律是与热量有着密切关系的一个定律，因此，熵也应该与热量有所关系，熵的表达式中也应该有热量这个物理量。根据卡诺定理，

我们知道任何热机的工作效率都不可能高于可逆机的效率，因此有一个不等式，也是

我们热力学第二定律中唯一的一个不等式，我们的热力学第二定律的数学表达式也是

根据它推到出来的，经过许多复杂的推导我们得到了热力学第二定律的数学表达式。

在此，我们应该对熵有一个系统大致的了解，熵是一个状态函数，具有可加性。在隔

离系统中，熵的正负判断反应的可逆及熵的大小判断反应可逆的程度。在计算熵变得

值时，要分情况来讨论，在大前提：一等温可逆过程中，可以分为三种情况（1）理想

气体等温可逆变化过程（2）等温等压可逆相变（3）理想气体等温等压，并符合Doulton分压定律。二非等温可逆过程，也分为三种情况（1）物质的量一定的可逆等

容变温过程（2）物质的量一定的可逆等压变温过程（3）物质的量一定的变温变压变

容过程，可以通过两步计算获得熵的值，例如可以先确定温度不变，利用理想气体等

温可逆变化来确定一个表达式，再根据体积不变，利用物质的量一定的可逆等容变温

过程，再确定一个表达式，这样，就可以求出熵的值。

熵的值也可以反映能量的变化，例如，我们都知道热力学第一定律是一个与能量守恒

有关的定律，不管在什么情况下，能量都是守恒的，不会发生什么能量的消失和增加，但是热力学第二定律就可以出现能量的退降，这种现象是与熵有着密切的联系，我们

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都知道在不可逆过程中，熵的值是增加的，这就说明系统中的一部分能量丧失了做功

的能力，这就是能量的退降。

在我们学习热力学第二定律的时候，有很多人都会感到迷茫，到底什么是热力学第二

定律呢？其实热力学第二定律就是熵的数学表达式。

三、热力学第二定律的应用

科学家们经过多年的探索与发现，得出了热力学第二定律，热力学第二定律在我们的

日常生活中应用广泛，是一个基本定律，以前人们曾提出过永动机，永动机就是不用

外界输送能量或者可以在一个热源的情况下，机器就能工作的一类假象的机器。在此，人们就提出过两类永动机，第一类永动机简单的说就是在不需要外界向其输送能量的

前提下，让它能够一直运动的理想机器，人们也因此不断向着这个目标不断奋斗，但

是还是依然失败，随着热力学第一定律的提出，直接的否认了第一类永动机，因为能

量是不可能凭空产生，也不可能凭空消失的，这时，第一类永动机就告一段落了，随后，人们又提出了第二类永动机，第二类永动机是在不违背第一定律的前提下提出来的，它的思想是：我们都知道大海蕴藏着非常丰富的热量，那我们可不可以利用这些

热量呢，因此，创造了第二类永动机，但是之后，人们又发现这是不可能实现的，这时，热力学第二定律的提出，彻底否决了第二类永动机，因为有关热现象的变化都是

不可逆的，我们不可能把大海的热全部转化为功，因此，第二类永动机又失败了。

那么，热力学第二定律除了否决了第二类永动机是不可能制成之外，还有那些用途呢?

热力学第二定律是一个宏观定律，对于少量的分子组成的微观系统是不适用。再有，

热力学第二定律适用于绝热系统和隔离系统，对于那些开放的系统是不适用的，例如

生命体等等，热力学第二定律是在有限的时间和空间上的出来的一个定律，因此它对

于那些不可预知的空间和无限的时间是不适用的，比如说我们的宇宙，在19世纪后半期，有些科学家错误的把热力学第二定律应用于无限的、开放的宇宙中了，因此，提

出了所谓的热寂说，他们提出说:”将来总有一天，全宇宙都会达到一种热平衡。一切变化都会停止，宇宙也会因此灭亡。要使宇宙重新活跃起来，必须需要一种外力，来推

动它，这就非常错误的为上帝创造世界提供了所谓的科学依据。这是错误的。

热力学第二定律在我们的日常生活中有着广泛的应用，比如电冰箱（制冷）、空调等，还有我们经常乘坐的磁悬浮列车、超导等都用到了热力学第二定律的知识。热力学第

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二定律也可以解释许多生活中不太 …… 此处隐藏：1919字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……