高二物理選修三熱力學第二定律知識點

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　　高二物理選修三《熱力學第二定律》知識點總結

　　一、熱力學第二定律的實質

　　1.可逆過程與不可逆過程

　　一個熱力學系統，從某一狀態出發，經過某一過程達到另一狀態。若存在另一過程，能使系統與外界完全復原***即系統回到原來的狀態，同時消除了原來過程對外界的一切影響***，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和外界完全復原，則稱之為“不可逆過程”。

　　可逆過程是一種理想化的抽象，嚴格來講現實中並不存在***但它在理論上、計算上有著重要意義***。大量事實告訴我們：與熱現象有關的實際巨集觀過程都是不可逆過程。

　　2.對於開氏與克氏的兩種表述的分析

　　克氏表述指出：熱傳導過程是不可逆的。開氏表述指出：功變熱***確切地說，是機械能轉化為內能***的過程是不可逆的。

　　兩種表述其實質就是分別挑選了一種典型的不可逆過程，指出它所產生的效果不論用什麼方法也不可能使系統完全恢復原狀，而不引起其他變化。

　　請注意加著重號的語句：“而不引起其他變化”。比如，製冷機***如電冰箱***可以將熱量Q由低溫T2處***冰箱內***向高溫T1處***冰箱外的外界***傳遞，但此時外界對製冷機做了電功W而引起了變化，並且高溫物體也多吸收了熱量Q***這是電能轉化而來的***。這與克氏表述並不矛盾。

　　3.不可逆過程的幾個典型例子

　　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。現抽掉隔板，則氣體就會自由膨脹而充滿整個容器。

　　例2***兩種理想氣體的擴散混合***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。當中間的隔板抽去後，兩種氣體發生擴散而混合。

　　例3焦耳的熱功當量實驗。

　　這是一個不可逆過程。在實驗中，重物下降帶動葉片轉動而對水做功，使水的內能增加。但是，我們不可能造出這樣一個機器：在其迴圈動作中把一重物升高而同時使水冷卻而不引起外界變化。由此即可得熱力學第二定律的“普朗克表述”。

　　再如焦耳-湯姆生***開爾文***多孔塞實驗中的節流過程和各種爆炸過程等都是不可逆過程。

　　4.熱力學第二定律的實質

　　對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聯的。我們可以選取任一個不可逆過程作為表述熱力學第二定律的基礎。因此，熱力學第二定律就可以有多種不同的表達方式。

　　但不論具體的表達方式如何，熱力學第二定律的實質在於指出：一切與熱現象有關的實際巨集觀過程都是不可逆的，並指出這些過程自發進行的方向。

　　二、熱力學第二定律說明

　　1.形成

　　① 熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉到冷處***在自然狀態下***。它是關於在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有 不可逆性的經驗總結。

　　上述***1***中①的講法是 德國科學家 克勞修斯***Clausius***在1850年提出的。②的講法是 開爾文於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移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉移，也就是說在自然條件下，這個轉變過程是不可逆的。要使 熱傳遞方向倒轉過來，只有靠消耗功來實現。

　　在②的講法中指出，自然界中任何形式的能都會很容易地變成熱，而反過來熱卻不能在不產生其他影響的條件下完全變成其他形式的能，從而說明了這種轉變在自然條件下也是不可逆的。熱機能連續不斷地將熱變為 機械功 ，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了創造 能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明瞭過程進行的 方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 .

　　②人們曾設想製造一種能從單一熱源取熱，使之完全變為有用功而不產生其他影響的機器，這種空想出來的熱機叫 第二類永動機。它並不違反熱力學第一定律，但卻違反熱力學第二定律。有人曾計算過，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 熱源的熱機是違反上述第二種講法的，因此要想製造出熱效率為百分之百的熱機是絕對不可能的。

　　③從 分子運動論的觀點看，作功是大量分子的有規則運動，而熱運動則是大量分子的無規則運動。顯然無規則運動要變為有規則運動的機率極小，而有規則的運動變成無規則運動的機率大。一個不受外界影響的 孤立系統，其內部自發的過程總是由機率小的狀態向機率大的狀態進行，從此可見熱是不可能自發地變成功的。

　　④熱力學第二定律只能適用於由很大數目分子所構成的系統及有限範圍內的巨集觀過程。而不適用於少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。

　　⑤根據 熱力學第零定律，確定了 態函式—— 溫度;

　　根據 熱力學第一定律，確定了態函式—— 內能和 焓;

　　根據 熱力學第二定律，也可以確定一個新的態函式—— 熵。可以用熵來對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地復原，要使系統從終態回到初態必需藉助外界的作用，由此可見， 熱力學系統所進行的不可逆過程的初態和終態之間有著重大的差異，這種差異決定了過程的方向，人們就用態函式熵來描述這個差異，從理論上可以進一步證明:

　　可逆 絕熱過程Sf=Si，

　　不可逆絕熱過程Sf>Si，

　　式中Sf和Si分別為系統的最終和最初的熵。

　　也就是說，在孤立系統內對可逆過程，系統的熵總保持不變;對不可逆過程，系統的熵總是增加的。這個規律叫做 熵增加原理。這也是熱力學第二定律的又一種表述。熵的增加表示系統從機率小的狀態向機率大的狀態演變，也就是從比較有規則、有秩序的狀態向更無規則，更無秩序的狀態演變。熵體現了系統的統計性質。

　　3.條件

　　第二定律在有限的巨集觀系統中也要保證如下條件：

　　1.該系統是線性的;

　　2.該系統全部是各向同性的。

　　另外有部分推論：比如熱輻射：恆溫黑體腔內任意位置及任意波長的輻射強度都相同，且在加入任意光學性質的物體時，腔內任意位置及任意波長的輻射強度都不變。