《工程热力学论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学论文.doc（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、热力学第二定律热力学第二定律的引出1热力学第二定律的表述2热力学第二定律的理解2热力学第二定律的微观本质和统计意义3热力学第二定理的运用4摘要：本文主要讲述了热力学第二定律的表述、本质以及其运用。关键词：热传递，不可逆，本质，熵增绪论：热力学第二定律是热力学的基本定律之一与第一定律一样，也是一个公理，是人们长期实践经验的总结。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程的经验总结。它指出，一切涉及热现象的实际宏观过程都是不可逆过程。 热力学第二定律的引出机械运动、电磁运动中的各种不涉及热现象的过程都是可逆的，可以正向进行，也可以逆向进行，逆过程的每一步都与正过程相同，只是次序相
2、反。但是，功变热量、热传导、自由膨胀等涉及热现象的过程却都不能自动地逆向进行，使系统和外界完全复原。热机把热变为功，热力学第一定律断言其效率不可能大于1，但能否接近或达到1呢？换言之，物体的机械能可以通过摩擦、阻尼、内耗等方式自发地全部转化为系统的内能；反之，系统的内能能否自发地转化为机械能而不产生其他影响呢？卡诺定理指出，这是不可能的 ，因为存在着某种理论上的限制。由此可见，尽管热量和功都是传递的能量，都是过程量，可按热功当量换算；但也有重要的区别，作功是通过系统整体的宏观位移实现的，传热则是通过组成系统的大量分子的无规则热运动和相互之间的作用实现的。热功转换是系统内分子无规则热运动能量与系
3、统有规则整体运动能量之间的转换。这种转换不仅在总量上要守恒以满足热力学第一定律，而且还必须在转换的方向和限度上受到限制。这正是热运动区别于其他运动形式的特殊本质，热力学第二定律就是这一特征的概括. 热力学第二定律的表述 (1)克劳修斯说法：“热量不能自动从低温物体流向高温物体”。 (2)开尔文说法：“不可能从单一热源吸热使之完全变为功，而无其它变化”。 实际上两种表述是统一的，可以统一叙述为“热量不能自动从低温物体流向高温物体，但是会自动从高温物体流向低温物体。”克劳修斯说法自然包含在其中了，开尔文说法也可以得到解释，即从热源吸热必然有一部分热量要自动流向周围的低温物体，所以要使之完全变为功是
4、不可能的。 热力学第二定律的理解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。 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为机械功，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。 热力学第二定律的微观本质和统计意义 从分子运动论的观点看，作
5、功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，从此可见热是不可能自发地变成功的。 根据热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数熵，可以用熵来对第二定律作定量的表述。物质和能量的均一化是一种自发的倾向和行为，第二定律称其为“熵增加”。如果要抗拒这一倾向和行为就要付出能量和努力。熵与混乱度是同一个概念，熵增加就是混乱度的增加，抵制混乱就要进行“组织化”或“有序化”，而组织化和有序化是一个耗能的行为，换言之，必须要付出努力与“
6、熵增加”作斗争。也就是说，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，系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理，这也是热力学第二定律的又一种表述。熵增原理最经典的表述是：“绝热系统的熵永不减少”，近代人们又把这个表述推广为“在孤立系统内，任何变化不可能导致熵的减少”。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。 热力学第二定理的运用有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水， 以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年
7、。但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二定理讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的。 我曾经看到过这样一道题：冬天空调能否在消耗1kj的电能的情况下使室内的内能增加2kj？答案是可以的。以前我还有的不明白，而通过对工程热力学的学习，这个问题很容易解答:以一个最简单的热泵循环为例，系统应由四部分构成：蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀，空调蒸发器应置于室外，所以系统中热媒在室外气化并吸收热量，回到室内在冷凝器液化并放热，从而升高室内热能。你看到的消耗1kj电能仅为压缩机消耗的电能。19世纪，克劳修思将热力学第二定理运用到宇宙上，得出宇宙最终会达到热寂的状态。事实并不如此，宇宙的有序运动没有减少的迹象。我们知道，不能将有限时空中的规律运用到无限时空中，而在文章开头我们讲到，热力学第二定律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。因而不适用于少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。 结论：第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向性。