高考物理重要知識(shí)點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律

　　一、熱力學(xué)第二定律建立的歷史過(guò)程

　　19世紀(jì)初，巴本、紐可門(mén)等發(fā)明的蒸汽機(jī)經(jīng)過(guò)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(wèn)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(guò)程進(jìn)行方向的問(wèn)題。

　　1824年，法國(guó)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(shuō)”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)來(lái)研究問(wèn)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(lái)了。“熱動(dòng)說(shuō)”的正確觀點(diǎn)也普遍為人們所接受。1848年，開(kāi)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(shuō)”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(lái)歷經(jīng)多次簡(jiǎn)練和修改，逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)行物理教科書(shū)中公認(rèn)的“克勞修斯表述”。與此同時(shí)，開(kāi)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(lái)演變?yōu)楦�精煉的現(xiàn)行物理教科書(shū)中公認(rèn)的“開(kāi)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(guò)程與不可逆過(guò)程

　　一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)。若存在另一過(guò)程，能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原(即系統(tǒng)回到原來(lái)的狀態(tài)，同時(shí)消除了原來(lái)過(guò)程對(duì)外界的一切影響)，則原來(lái)的過(guò)程稱為“可逆過(guò)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(guò)程”。

　　可逆過(guò)程是一種理想化的抽象，嚴(yán)格來(lái)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(guò)程都是不可逆過(guò)程。

　　2.對(duì)于開(kāi)氏與克氏的兩種表述的分析

　　克氏表述指出：熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆的。開(kāi)氏表述指出：功變熱(確切地說(shuō)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能)的過(guò)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(guò)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(yǔ)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(lái)的)。這與克氏表述并不矛盾。

　　3.不可逆過(guò)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�，F(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(kāi)，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(guò)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(kāi)爾文)多孔塞實(shí)驗(yàn)中的節(jié)流過(guò)程和各種爆炸過(guò)程等都是不可逆過(guò)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(guò)程以及自然界中其他不可逆過(guò)程，我們完全能夠由某一過(guò)程的不可逆性證明出另一過(guò)程的不可逆性，即自然界中的各種不可逆過(guò)程都是互相關(guān)聯(lián)的。我們可以選取任一個(gè)不可逆過(guò)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(guò)程都是不可逆的，并指出這些過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的方向。

　　三、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義

　　熱現(xiàn)象是與大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的。我們以上述不可逆過(guò)程(如例1中理想氣體的真空自由膨脹)為例，來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義。

　　如圖1所示，拉開(kāi)隔板后，A部分的理想氣體將進(jìn)入B(原為真空)中，從而充滿A、B整個(gè)空間。這個(gè)過(guò)程是不可逆的，我們從沒(méi)有見(jiàn)過(guò)這種現(xiàn)象：氣體自動(dòng)地由整個(gè)容器收縮到A部分，而使B部分成為真空。這是為什么呢?

　　設(shè)容器中有1個(gè)分子，它退回到A部分的幾率為1/2;設(shè)容器中有2個(gè)分子，它們?nèi)�部退回到A部分的幾率為1/22=1/4;設(shè)容器中有3個(gè)分子，它們?nèi)�部退回A部分的幾率為1/23=1/8;……設(shè)容器中有1mol某種理想氣體(約6.02×1023個(gè)分子)。打一個(gè)有

　　趣的比喻：假若從動(dòng)物園中逃出一只黑猩猩，溜進(jìn)了計(jì)算機(jī)室，用爪子在鍵盤(pán)上亂按。而將打印出的紙張按順序裝訂，恰巧是一部數(shù)百萬(wàn)字的巨著——大英百科全書(shū)。上述幾率比這個(gè)笑話的幾率還要小得不可比擬。

　　通過(guò)對(duì)上述簡(jiǎn)單例子的分析，事實(shí)上是有一般意義的，即熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義是：一個(gè)不受外界影響的“孤立系統(tǒng)”，其內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程，總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行，由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行。

　　四、熱力學(xué)第二定律的適用范圍

　　(1)熱力學(xué)第二定律是宏觀規(guī)律，對(duì)少量分子組成的微觀系統(tǒng)是不適用的。

　　(2)熱力學(xué)第二定律適用于“絕熱系統(tǒng)”或“孤立系統(tǒng)”，對(duì)于生命體(開(kāi)放系統(tǒng))是不適用的。早在1851年開(kāi)爾文在敘述熱力學(xué)第二定律時(shí)，就曾特別指明動(dòng)物體并不像一架熱機(jī)一樣工作，熱力學(xué)第二定律只適用于無(wú)生命物質(zhì)。

　　(3)熱力學(xué)第二定律是建筑在有限的空間和時(shí)間所觀察到的現(xiàn)象上，不能被外推應(yīng)用于整個(gè)宇宙。19世紀(jì)后半期，有些科學(xué)家錯(cuò)誤地把熱力學(xué)第二定律應(yīng)用到無(wú)限的、開(kāi)放的宇宙，提出了所謂“熱寂說(shuō)”。他們聲稱：將來(lái)總有一天，全宇宙都是要達(dá)到熱平衡，一切變化都將停止，從而宇宙也將死亡。要使宇宙從平衡狀態(tài)重新活動(dòng)起來(lái)，只有靠外力的推動(dòng)才行。這就會(huì)為“上帝創(chuàng)造世界”等唯心主義提供了所謂“科學(xué)依據(jù)”。

　　“熱寂說(shuō)”的荒謬，在于把無(wú)限的、開(kāi)放的宇宙當(dāng)做熱力學(xué)中所說(shuō)的“孤立系統(tǒng)”。熱力學(xué)中的“孤立系統(tǒng)”與無(wú)所不包、完全沒(méi)有外界存在的整個(gè)宇宙是根本不同的。事實(shí)上，科學(xué)后來(lái)的發(fā)展已經(jīng)提供了許多事實(shí)，證明宇宙演變的過(guò)程不遵守?zé)崃�學(xué)第二定律。正如恩格斯在《自然辯證法》中指出了“熱寂說(shuō)”的謬誤。他根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)不滅的原理，深刻地指出：“放射到太空中去的熱一定有可能通過(guò)某種途徑——指明這一途徑，將是以后自然科學(xué)的課題——轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪贿\(yùn)動(dòng)形式，在這種運(yùn)動(dòng)形式中，它能重新集結(jié)和活動(dòng)起來(lái)。”熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第一定律一樣，是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，它的正確性是由它的一切推論都為實(shí)踐所證實(shí)而得到肯定的。