第十章 4 热力学第二定律

思考与讨论

下面，我们设想了一些过程，这些过程都不违背能量守恒定律，但是你见到过这些现象吗？

1．把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会儿，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低而鸡蛋温度上升，生蛋变成了熟蛋？

2．一滴墨水滴进一杯清水中，不久整杯水都均匀地变黑了。有没有这样的“逆过程”：这杯均匀黑水中的小炭粒又自发地聚集在二起，成为一滴墨水，而其余部分又变成了清水？

3．在平地上滚动的足球克服摩擦力做功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时足球、地面及周围空气的温度略有上升。会不会有这样的现象：静止的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为动能，让足球又滚动起来？

4．装着压缩气体的钢瓶，打开阀门后会听到“哧——”一声，气体喷到外面。会不会有这样的现象：外面的气体自发地进入钢瓶，使瓶内的压强变大？

……

能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消灭的过程是不可能出现的。然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生。

无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动……都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，例如热由高温物体传向低温物体，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就足说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律（second law of thermodynamics）。

热力学第二定律的一种表述

德国物理学家克劳修斯（R．Clausius，1822～1888）在1850年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。

这里阐述的是热传递的方向性。在这个表述中，“自发”二字指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。

难道热量不能从低温物体传向高温物体吗？电冰箱通电后箱内温度低于箱外，但还会继续降温，直至达到设定的温度。难道这个过程不遵从热力学第二定律吗？

在电冰箱的例子中，热量的确从低温物体——箱内食品，传到了高温物体——箱外空气。但这不是自发的过程，这个过程必须有笫三者的介入：必须开动冰箱的压缩机。如果电厂不再消耗燃料发电，冰箱的压缩机会停止工作，自发的过程则是热量从箱外的高温空气传向箱内的低温食品。

热力学第二定律的另一种表述

汽车和轮船上用的汽油机、柴油机，火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机，飞机和火箭用的喷气发动机，以及过去用的蒸汽机，都是热机。从能量的角度看，热机的工作分为两个阶段，第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能，第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。

任何机械都有效率的问题，热机也不例外。燃料产生的热量有的由于漏气而损失；有的使机体的温度上升，然后又通过机体散失了；转化为机械能的那部分还要用于克服机械摩擦……因此，热机输出的机械功W总要小于燃料产生的热量Q。热机的效率

η＝\(\frac{W}{Q}\)

总是小于100%。

现在的问题是：如果没有漏气、没有摩擦，也没有机体热量的损失，这样的热机的效率是不是100%？也不是！原因在于，尽管漏气、摩擦、机体热量损失可以减少甚至在理想情况下可以消除，但是工质吸收的热量还是不能全部变成功。例如，汽车排出气体的温度一定会比空气的温度高[1]，它会向空气散热。

蒸汽机和蒸汽轮机从锅炉中获取热量，内燃机从汽缸中获取热量，锅炉、汽缸是高温热库。水蒸气在蒸汽机或蒸汽轮机中做功后来到冷凝器，在冷凝器中排出剩余的热量，冷凝器是低温热库。内燃机没有冷凝器，大气就是它的低温热库。

热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热库（冷凝器或大气）。也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即

W<Q

因此，即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机的效率也不会是100%。

开尔文在分析了热机及其他涉及做功的热学过程后，于1851年提出了热力学第二定律的另一种表述，即开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械熊与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。例如，两个相互接触并做相对运动的物体，由于摩擦而静止下来，它们的机械能可以全部转化为内能；但相反的过程不可能自发进行而不产生其他影响。

可以证明，热力学第二定律的上述两种表述是等价的，可以从其中一种表述推导出另一种表述。其实，宏观过程的不可逆性都是互相关联的，由一种过程的不可逆性可以通过推理得知另一种过程的不可逆性。因此，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如，在图10.4-6中，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体。撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散，而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。

思考与讨论

有可能制成第二类永动机吗？

地球上海水的总质量达1.4×10²¹ kg。如果把这些海水的温度降低1 ℃，放出的热量就达9×10¹⁸ kW·h，足够全世界使用4 000年。这个设想不违背能量守恒定律，但是不能实现，所以叫做第二类永动机。前面学到的，违背能量守恒定律的永动机，叫做第一类永动机。

学过热力学第二定律之后，你能说出为什么不能制成第二类永动机吗？

问题与练习

1．汽车行驶时，要消耗汽油。尽可能详细地说明：汽油燃烧时释放的化学能通过哪些途径最终转化成了周围环境的内能。

2．以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？

A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热。

B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。

C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离。

D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体。

3．小李想估测煤气灶烧水时的效率。他在开水壶里装了体积2.5 L的水，测得烧水前的水温是15℃，水烧开后便停止加热。烧水前后煤气表的示数如图10.4-7所示。为了得出煤气灶烧水的效率，他还要知道什么数据？请用字母表示相关敦据，指出所用的单位，列出计算效率的表达式。

发布时间：2017/6/5 上午7:56:29  阅读次数：2021