高二物理選修三熱力學(xué)第二定律知識(shí)點(diǎn)
高二物理選修三熱力學(xué)第二定律知識(shí)點(diǎn)
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高二物理選修三《熱力學(xué)第二定律》知識(shí)點(diǎn)總結(jié)
一、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。
二、熱力學(xué)第二定律說明
1.形成
?、?熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，是指熱永遠(yuǎn)都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處(在自然狀態(tài)下)。它是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有 不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
上述(1)中①的講法是 德國科學(xué)家 克勞修斯(Clausius)在1850年提出的。②的講法是 開爾文于1851年提出的。這些表述都是等效的。
在①的講法中，指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動(dòng)向高溫物體轉(zhuǎn)移，也就是說在自然條件下，這個(gè)轉(zhuǎn)變過程是不可逆的。要使 熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)過來，只有靠消耗功來實(shí)現(xiàn)。
在②的講法中指出，自然界中任何形式的能都會(huì)很容易地變成熱，而反過來熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能，從而說明了這種轉(zhuǎn)變?cè)谧匀粭l件下也是不可逆的。熱機(jī)能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)?機(jī)械功 ，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了創(chuàng)造 能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過程進(jìn)行的 方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 .
?、谌藗?cè)O(shè)想制造一種能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響的機(jī)器，這種空想出來的熱機(jī)叫 第二類永動(dòng)機(jī)。它并不違反熱力學(xué)第一定律，但卻違反熱力學(xué)第二定律。有人曾計(jì)算過，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低0。25度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年。但只用海洋做為單一 熱源的熱機(jī)是違反上述第二種講法的，因此要想制造出熱效率為百分之百的熱機(jī)是絕對(duì)不可能的。
③從 分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)看，作功是大量分子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而熱運(yùn)動(dòng)則是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。顯然無規(guī)則運(yùn)動(dòng)要變?yōu)橛幸?guī)則運(yùn)動(dòng)的幾率極小，而有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)變成無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的幾率大。一個(gè)不受外界影響的 孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部自發(fā)的過程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行，從此可見熱是不可能自發(fā)地變成功的。
?、軣崃W(xué)第二定律只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。
?、莞鶕?jù) 熱力學(xué)第零定律，確定了 態(tài)函數(shù)—— 溫度;
根據(jù) 熱力學(xué)第一定律，確定了態(tài)函數(shù)—— 內(nèi)能和 焓;
根據(jù) 熱力學(xué)第二定律，也可以確定一個(gè)新的態(tài)函數(shù)—— 熵?？梢杂渺貋韺?duì)第二定律作定量的表述。
2.過程
第二定律指出在自然界中任何的過程都不可能自動(dòng)地復(fù)原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必需借助外界的作用，由此可見， 熱力學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異，這種差異決定了過程的方向，人們就用態(tài)函數(shù)熵來描述這個(gè)差異，從理論上可以進(jìn)一步證明:
可逆 絕熱過程Sf=Si，
不可逆絕熱過程Sf>Si，
式中Sf和Si分別為系統(tǒng)的最終和最初的熵。
也就是說，在孤立系統(tǒng)內(nèi)對(duì)可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變;對(duì)不可逆過程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個(gè)規(guī)律叫做 熵增加原理。這也是熱力學(xué)第二定律的又一種表述。熵的增加表示系統(tǒng)從幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)演變，也就是從比較有規(guī)則、有秩序的狀態(tài)向更無規(guī)則，更無秩序的狀態(tài)演變。熵體現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。
3.條件
第二定律在有限的宏觀系統(tǒng)中也要保證如下條件：
1.該系統(tǒng)是線性的;
2.該系統(tǒng)全部是各向同性的。
另外有部分推論：比如熱輻射：恒溫黑體腔內(nèi)任意位置及任意波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都相同，且在加入任意光學(xué)性質(zhì)的物體時(shí)，腔內(nèi)任意位置及任意波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都不變。
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