热力学第零定律_热力学温度_什么是热力学第二定律

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什么是热力学第二定律

2015-11-17 18:59  来源： 科普中国-科学原理一点通

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在物理学上，有一个分支叫热力学。它是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科。而热力学定律则是用来描述这些规律的定律，它包括热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。

在这里，主要讲解热力学第二定律。

热力学第二定律有着多种表述，且各表述在本质上是等价的。

1824年，法国青年军事工程师、数学家萨迪·卡诺提出了卡诺定理，成为热力学的创始人之一。卡诺定理在导出热力学第二定律的普遍判据——状态函数 “S”（熵）中具有重要作用。

1850年，德国物理学家和数学家鲁道夫·克劳修斯在卡诺定理的基础上，提出了克劳修斯表述。他从热传递方向上，提出热量总是从高温物体传到低温物体，不可能做相反的传递而不引起其它反应。克劳修斯的这一表述，证明了热传递具有方向性和不可逆性。

1851年，英国物理学家开尔文（原名威廉·汤姆森）提出了开尔文表述。他提出：“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不产生其它影响”。开尔文从热功转化方面提出，功（机械功）可全部转化为热，但任何热机却不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功。

开尔文的表述，彻底击碎了人们“异想天开”的美梦。在这之前，曾有人提出在不违背能量守恒的定律下，制造出一种第二类永动机，比如从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头。这种想象中的热机，被开尔文彻底推翻，证明了它的不可实现。

克劳修斯表述和开尔文表述都被称为热力学第二定律。他们的表述虽出自不同角度，但在理念上是等价的。这两种表述是可以互相之间推导的，比如通过克劳修斯的表述就能推导出开尔文表述。同样，如果其中一个表述不成立则另一个表述也不会成立。

热力学第二定律确定了一个新的态函数，熵（S）。

熵增定律，，也叫熵增加原理，是热力学第二定律的又一种表述。

熵增加原理，表明了在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵则总是增加的。

这一原理，比克劳修斯、开尔文表述更为概括地指出了不可逆过程的进行方向，即一切不可逆过程必然朝着熵的不断增加的方向进行。由于孤立系统的一切自发过程均向着其微观状态更无序的方向发展，因此如果要使系统由最终状态（无序状态）回到原先的有序状态（初始状态）是不可能的，除非外界对它做功。

同时，熵增加原理，指出了热力学第二定律是大量分子无规则运动所具有的统计规律，因此只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程，它不适用于单个分子或由少量分子构成的系统。

热力学第二定律即使在有限的宏观系统中，也要保证两个必不可少的条件，即：该系统是线性的；该系统全部是各向同性的。

热力学第二定律，不但确定了熵这一新的态函数，它在人们的生活中也得到了广泛应用。比如家用电器里的冰箱、空调、以及作为现代交通工具的磁悬浮列车等。

作者：宋日红

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