高二物理：物理熱力學(xué)第二定律
育路教育網(wǎng)小編為您整理了“高二物理必修知識(shí)點(diǎn)：物理熱力學(xué)第二定律”,為了方便廣大網(wǎng)友查閱!更多高二相關(guān)信息請(qǐng)關(guān)注育路教育網(wǎng)
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(shí)人們對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)是采用“熱質(zhì)說”的錯(cuò)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí)，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(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)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(gè)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(shí)消除了原來過程對(duì)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(duì)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(qǐng)注意加著重號(hào)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(shí)外界對(duì)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(gè)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。現(xiàn)抽掉隔板，則氣體就會(huì)自由膨脹而充滿整個(gè)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(gè)不可逆過程。在實(shí)驗(yàn)中，重物下降帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)水做功，使水的內(nèi)能增加。但是，我們不可能造出這樣一個(gè)機(jī)器：在其循環(huán)動(dòng)作中把一重物升高而同時(shí)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(duì)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(gè)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。
(責(zé)任編輯：楊旭杰)
分享“高二物理：物理熱力學(xué)第二定律”到：
