大学物理小论文
——关于热力学第二定律的理解与思考
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在发现热力学第一定律基础上，说明了一切的热力学过程必须遵守能量守恒和转换定律，但是不是满足了能量守恒定律的过程就一定能够进行。人们经行了大量的实验，其实验结果表明，实际中自发进行热力学过程都具有方向性，并不是满足能量守恒定律就一定能够自然发生。于是，在这种情况下，热力学第二定律渐渐的浮出水面，绽放出它耀眼夺目的光彩。
自然界的一切实际热力学过程都是按一定的方向进行的，反方向的逆过程是不可能自动进行的。在一定条件下不需要外来作用，任其自然就能自动发生的过程，称为自发过程。例如热由高温物体传给低温物体，锌片放入硫酸铜溶液中后铜就析出，气体向真空膨胀，导体中的电流从高电势端流向低电势端，水从高水位流向低水位等等，都是自发过程。而那些需要借助外来作用才能发生的过程，称为非自发过程。例如电解水产生氢气和氧气，需要环境対系统做电功，就是非自发过程。
从表面来看，似乎各种不同的自发过程有着不同的决定因素。例如热总是自发地由高温物体传向低温物体，直到两物体的温度相等为止，温度是决定过程方向和限度的因素。导体中的电流总是自发地从高电势端流向低电势端，直到导体中各处的电势都相等为止，电势是决定过程方向和限度的因素。水总是自发地从高水位流
向低水位，直到各处水位都相等为止，水位高低是决定过程方向和限度的因素。气体总是自发地从高压处流向低压处，直到系统中各处的压力都相等为止，压力是决定过程方向和限度的因素。
在人们大量的实验基础上，人们总结出自然过程的方向性，分别是功热转换的方向性，热传导的方向性，气体绝热自由膨胀的方向性。
• 实际中，功全部转化成热的过程是可以自发进行的，但唯一效果
是热全部转化为功的过程是不可能发生的。
• 热传导的方向性。两个温度不同的物体相接触，热量可以自动地
从高温物体传向低温物体，直到达到温度相等的热平衡
态。此过程的逆过程却不能够自发的进行，即热量不能自
动地从低温物体传向高温物体，从而使高温物体温度的更
高，低温物体的温度更低，虽然这样的传递不违反能量守
恒定律。
• 气体绝热自由膨胀的方向性。即气体可以自发的向真空膨胀从而
占据更大的体积的状态自动地收缩到体积较小的状态而不
引起其他变化。
我们通过以上三个实际的热力学过程的方向性的讨论，归纳得到一个普遍性的结论，即热力学过程都是按一定的方向进行的，即不可逆，其逆过程是不能自动发生的。我们可以通过实验装置证明热传导的不可逆性和功变热的不可逆性是相互依存的。同样可以证明，
理想气体绝热自由膨胀的不可逆性和功变热的不可逆性也是等价的。总之，各种宏观自然过程的不可逆性都是相互联系的，只需要承认一种宏观自然过程的不可逆，就可以论证其他宏观自然过程的不可逆性。
德国科学家克劳修斯(Clausius)在1865年提出“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。”开尔文在1851提出的不可能从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。 在克劳修斯的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。 在开尔文的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变成机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 为了进一步的解释，热力学第二定律，我们引入的熵的概念。 ．
热力学研究的是大量质点集合的宏观系统，热力学能、焓和熵都
是系统宏观的物理量。熵是系统的状态函数，当系统的状态一定时，系统有确定的熵值，系统状态发生变化，熵值也要发生改变。
热力学第二定律指出，凡是自发过程都是热力学不可逆过程，而且一切不可逆过程都归结为热功交换的不可逆性。从微观角度来看，热是分子混乱运动的一种表现，而功是分子有秩序的一种规则运动。功转变为热的过程是规则运动转化为无规则运动，向系统无序性增加的方向进行。因此，有序的运动会自发地变为无序的运动，而无序的运动却不会自发地变为有序的运动。
例如，低压下的晶体恒压加热变成高温的气体。该过程需要吸热，系统的熵值不断增大。从微观来看，晶体中的分子按一定方向、距离有规则的排列，分子只能在平衡位置附近振动。当晶体受热熔化时，分子离开原来的平衡位置，系统变为液体，系统的无序性增加。当液体继续受热时，分子完全克服其它分子对它的束缚，可以在空间自由运动，系统的无序性进一步增加。
因此，熵是系统无序程度的一种度量，这就是熵的物理意义。当系统的无序程度增大，系统的熵值也增大。玻尔兹曼（Boltzmann ）定量表述为公式，k 称为玻尔兹曼常数。 通过在上网看书等种种方式了解热力学第二定律，发现至今为止仍热有人对热力学第二定律经行质疑。热力学第二定律是建立在对实验结果的观测和总结的基础上的定律。虽然在过去的一百多年间未发现与第二定律相悖的实验现象，但始终无法从理论上严谨地证明第二定律的正确性。自1993年以来，Denis J.Evans 等学者在理
论上对热力学第二定律产生了质疑，从统计热力学的角度发表了一些关于“熵的涨落“的理论，比如其中比较重要的FT 理论。而后G.M.Wang 等人于2002在Physical Review Letters上发表了题为《小系统短时间内有悖热力学第二定律的实验证明》。 从实验观测的角度证明了在一定条件下热，孤立系统的自发熵减反应是有可能发生的。虽然这些新的发现不至于影响到现存热力学的应用，但必然将对未来热力学的研究产生一定的影响。 热力学第二定律是宏观定律，不是微观定律，因此这里所说的“质疑”，并不是对热力学第二定律的质疑，只是一种就像量子力学对牛顿力学一样的补充。 对热力学第二定律的探索还没有停止，仍然需要我们继续努力。