1、备课资料1热力学第二定律阐述热力学过程的方向性这一定律有多种不同的表述方式，其中重要的有以下两种：（一）开尔文表述不可能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表述中说的其他变化，是指除了单一热源放热和对外界做功这两者以外的任何其他变化.其实，并非热不能完全转化为功，而是在不引起其他变化的条件下热不能完全转化为功.例如：理想气体从单一热源吸热做等温膨胀时.内能不变，即u=0,按热力学第一定律，得Q=W,即所吸收热量全部转化为功，但是在这一过程中却引起了其他变化，即气体的体积膨胀，不能自动地缩回.历史上曾有许多人企图制造出一种循环动作的热机，它只从单一热源吸取热量，使之完全变为有
2、用的功，而不需具备低温热源进行放热，这种机器称为第二类永动机或单热源热机，其效率为百分之百.我们知道：要想制造出100%的第一类永动机是不可能的，否则，能量无中生有，与能量守恒定律相违背，但是能否制造出不违背热力学第一定律而达到=100%的热机呢？假如能够实现的话，那么我们只要将大气海洋、地层作为单一热源，使之冷下去，取其全部热量用来做功，这时开发和利用新的能源问题无异是一件美事.据估算，地球上的海水约有1018t，只要使海水降低温度0.01 K，所释放的热能足以使全世界的机器开动好多年.但是据可知，=100%，相当于Q2=0，这是违背开尔文表述的，因此，热力学第二定律也可表述为：第二类永动机
3、是不可能造成的.（二）克劳修斯表述不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化.表述中的其他变化是指高温物体吸热和低温物体放热两者以外的任何变化，如果允许引起其他变化，热量由低温物体传入高温物体也是可能的，例如：致冷机可以将热量从低温热源传给高温热源，但这不是自动传递的，需有外界对气体做功，并把所做的功转变为热而送入高温热源，外界做了这部分的功，自然要引起其他变化.热力学第二定律的开尔文表述与热机的工作有关；克劳修斯表述与热传导现象有关，两种表述貌似不同，但是它们通过热功转换和热传导各自表述了过程进行的方向性，所以本质上是一致的.也就是说：如果开尔文表述是正确的，则克劳修斯表述也是正确的
4、，若违反开尔文表述，也必违背克劳修斯表述.2开尔文与克劳修斯简介（一）开尔不简介英国物理学家开尔文（18241907），1845年毕业于剑桥大学，1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学教授，长达50余年，1851年被选为英国皇家学会会员，1877年被选为法国科学院院士，1890年至1895年担任皇家学会会长，他对热学和电磁学的发展都作出了重要的贡献.1851年开尔文在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇论文，题目是“论热的动力理论”，文章指出：不存在这样一个循环过程，系统从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响.表述中“单一热源”是指温度均匀且恒定的热源；“其他影响”指除了由单一热源吸热
5、，把吸收的热用来做功以外的任何其他变化.若有其他影响产生时，把由单一热源吸来的热量全部用以对外做功是可能的.自然界任何形式的能都可能转化为热，但热却不能在不产生其他影响的条件下完全转变成其他形式的能.开尔文的论述虽然较克劳修斯晚一年，但他的论述更为明确，使得热力学第二定律的研究更加深入，此外，开尔文还从第二定律断言：能量耗散是普遍趋势.（二）克劳修斯简介德国物理学家克劳修斯（18221888），曾在柏林大学学习4年，后于1848年毕业于哈雷大学.1850年他任柏林皇家炮工学校物理教授，1855年后他相继任苏黎士维尔茨堡和波恩大学物理教授.他除了建立热力学第二定律，引入态函数熵，还对气体分子动理
6、论做了较全面的论述，用统计平均的方法导出了理想气体的压强、温度和气体的平均自由方程式.克劳修斯于1850年在德国物理学年鉴上率先发表了论热的动力及能由此推出的关于热本质的定律，把卡诺定理作了扬弃而改造成与热力学第一定律并列的热力学第二定律.他提出，热量总是自动地从高温物体传到低温物体，不可能自动地由低温物体向高温物体传递.或者说不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化.即在自然条件下，这个转变过程是不可逆的，若想让热传递的方向逆转，则必须消耗功才能实现.以上两种表述是等效的，说明了热量不可能全部转化为机械功以及这一转化过程的方向性.人们一度曾设想一种能从单一热源吸收热量，使之完全转
7、变成有用的机械功而不产生其他影响的第二类永动机，第二类永动机虽不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律，因而是不可能造成的.第二定律除了以上两种表述外，还有其他不同的表述，例如热效率为100%的热机是不可能制成的；不需要由外加功而可操作致冷的机器是不可能造成的等.第二定律无论采用何种表述，其内容实质相同，不外乎主张不可逆变化的存在.各种表述的实质在于说明一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.3关于热力学第二定律（1）热力学第二定律的统计意义如右图所示，拉开隔板后，A部分的理想气体将进入B中，从而充满A、B整个空间.这个过程不可逆，为什么呢？设容器中有1个分子，它退回到A部分的几率为1/
8、2，设容器中有2个分子，它们退回到A部分的几率为1/22=设容器中有1 mol理想气体（约NA=6.021023个），这些分子全部处于A部分的几率为这个几率是如此的小，实际上是不会出现的。上述简单例子的分析具有一般意义，即热力学第二定律的统计意义是：一个不受外界影响的“孤立系统”，其内部发生的过程，总是由几率小的状态向几率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行.（2）热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围热力学第二定律是适用于“绝热系统”或“孤立系统”的，对于生命体（开放系统）不适用。只适用于无生命物质。热力学第二定律是建筑在有限的空间和时间所观察到的现象上，不能被外推应用于整个宇宙。4热力学三定律三个不可能 热力学第一定律第一类永动机不可能制成已证 热力学第二定律第二类永动机不可能制成已证 热力学第三定律绝对零度不可能达到末证