熱力學第二定律理論體系的討論

劉立瑤

（渤海大學數理學院，遼寧 錦州121000）

我們都知道，永動機是不可能制成的，這是因為它違背了能量守恒定律，盡管從古至今有很多科學家都在不斷研究新的方法進行理論體系的構建，但是物體始終不可能在不發生任何變化的情況下讓熱量從提問物體傳導到高溫物體，也不可能將單一熱源在吸收的熱量不發生表面其他變化的基礎上全部用來做功，一定會通過內能或機械能等進行其他能量的轉化，根據這一問題，我們來研究一下熱力學第二定律理論體系的構建和含義。

1 熱力學第二定律概述

1.1 熱力學第二定律的含義

在自然界中，很多相互接觸的物體之間發生的作用效果都是不可逆的，而這種不可逆性反應出了物體之間彼此有一種互相關聯的性質，在熱力學第二定律中，最基本的條件就是該過程是不可逆的，這也是熱力學第二定律的基礎，其次是所有物體之間的聯系與轉化都是具有自發性的，無論是可逆還是不可逆，都是物體屬性的表現與能量的表達，在宏觀現象中，我們可以看到的所有熱力學轉化過程都可以用熱力學定律來解釋，其中，熱力學第二定律是指：自然界中所有的運動過程都不可能輕易恢復原狀，除非施加人為因素或外部相關條件的控制，在變化的過程中，過程終點與過程起點是有很大不同的，這種結果的差異會帶來不同的影響，在這里，我們用“熵”這個狀態函數來進行差異化表達：

當Sf=Si時，在熱力學中我們表述為熱力學運動的可逆過程；當Sf＞Si時表述為熱力學的不可逆運動過程，其中Sf是變化的熵，與Si之間是結果和起點的關系，體現了系統整體的差異性產生，并可以通過這一差值分析運動過程能量轉化的因素。在單純的熱量變化中，我們假設兩個系統是毫無關聯的，即同一系統不受到周圍系統的控制和影響，那么不可逆運動過程熵是呈不斷增加的趨勢的，且符合線性相關的特點，這也反映了熱量系統從小功率向大功率轉化的過程，在這一過程中熱量發生的是無規律無秩序的變化狀態；而相同條件下可逆反應的熵是不變的，這也為永動機提出了科學的否定和批判，就像水往低處流一樣，是不能通過自身的變化而改變這種規律的。

1.2 熱力學第二定律的研究意義

在自然條件下，高溫物體會通過不斷地熱傳遞將能量傳遞給低溫物體，從而實現溫度變化，這也是基于熱力學第二定律的基礎上形成的重要規律，在宏觀空間內，大量的分子是以基本不變的方向進行熱傳導的，盡管單獨每個分子的運動并不規律，但是卻體現了物理變化的方向性，其實無論物理變化還是化學反應都是不可逆的，因為要想實現方向的轉化需要加入外界力量，而這一力量的控制也需要產生相應的能量的，如機械能、電能、風能、太陽能等。熱力學第二定律理論體系的構建，在人們的生產和生活中產生了重要影響，首先否認了永動機理論的不科學性，又在熱量傳輸的基礎上研發出大量對人們基本生活密切相關的器件和設施，如人們給癟胎的自行車打氣，是通過大氣壓強原理，將氣體從外界壓入，如果將自行車的氣門芯拔下，在打氣口出會產生一定的熱量，這便是通過氣體摩擦做功而形成的熱量，這一熱量是不可逆的。

2 熱力學第二定律理論體系的構建

熱力學第二定律理論體系的構建經歷了數十年、大量的科學家通過不斷進行實踐和調查總結提出，最早是在19世紀，由紐可門、巴本進行的研究發明證實的，以此為基礎，瓦特進行了蒸汽機的改良，并投入到生產和使用中，如運輸領域、礦業開采、工廠運作等領域，不僅提高了工作效率，也降低了成本，然而此時人們對熱力學第二定律還并沒有確切的認識，理論認識膚淺、實踐分析不到位等弊端暴露，在這一背景下，熱力學第二定律關于提高熱機工作效率的工作開始大量開展。

1824年，卡諾在其個人發表的“論火的動力”一文中提出了“卡諾定理”，主要是為了提高熱機的熱效應，通過熱效應的體現降低熱機的能量散失，提升工作效率，然而在現在看來，卡諾定理并不正確，因為他主要根據傳統的“熱質說”進行分析的。直到1840年到1847年，焦耳等人扎扎實實建立起熱力學第一定律，并廣泛應用于熱力學領域，在這一階段，“熱動說”被人們普遍接受，在一年后，開爾文根據卡諾定理制作出了新的“熱力學溫標”，通過特殊物質的引入，在實際中克服了各種能量的轉化與散失，更為準確地測定環境溫度。1850年，勞斯休斯通過“熱動說”重新研究卡諾定理，根據熱量能夠在自然條件下由高溫物體向低溫物體轉化的特點，得到了熱力學第二定律的基本內容，此后經過多次修改，最終得出了我們目前教科書中的“開爾文表述”，這便是目前的熱力學第二定律理論體系，這一體系主要是針對能量轉化進行的研究和分析，物體的能量不會消失也不會憑空產生，而是可以通過機械能轉化為內能，再全部轉化為熱量，這是一個循環的過程，因此與這一觀點不符的熱力學過程都是不成立的，如滾動的足球最終會停在地面上，是因為在足球運動過程中會與地面進行摩擦生熱，將機械能轉化為內能。

3 熱力學第二定律理論體系的應用研究

熱力學第二定律的提出，解決了在物體相互作用中的能量轉化問題，不僅確定了永動機在原理上的不可實現性，同時也解決了人們日常生活中的許多問題，如上文中提到的運動的足球會停在地面上、自由下落的籃球每次反彈的高度會越來越低直到不再反彈、人們在跑步的過程中會逐漸地感到累，等等這都是能量轉化的結果，在不受任何力的作用下，足球不可能越動越快，籃球不可能反彈距離越來越高，人們也不可能越跑越快，都是熱力學第二定律的實踐應用。關于這一理論體系的應用研究，應該注意以下問題：

3.1 熱力學第二定律只適用于宏觀過程，并不適用與微觀粒子，如分子間的作用力；

3.2 熱力學第二定律主要適用于無生命特征的物體，如桌子、籃球、書等，如果對人體等動物進行分析，則需要研究多種特征以及內部的其他反應，很難按照常規分析方法進行研究，也就是說，熱力學第二定律適用“絕熱”和“孤立”兩個系統特征，在熱力學第二定律體系構建的過程中要著重考慮這一問題；

3.3 盡管在熱力學發展的很長一段時間內，熱力學第二定律這一理論體系都顯示出了很強的優越性和適用價值，但是這一理論體系自身還是有著一定的局限性，并不能將時間和空間無限擴展，人們在對物體的能量進行研究時也不要野心太重，企圖將能量應用到全宇宙中，將能量在全宇宙中進行自由轉化，實現整個宇宙空間的熱平衡狀態，這顯然是不切實際的。

對于熱力學第二定律，盡管在高中的物理課本中就有過一定的接觸，但是我們要將眼光放長遠，從自然和生活的角度去看待這一新的理論體系，希望通過熱力學的相關研究，不斷構建各個領域獲得價值實現的理論基礎，讓這一能量轉化定律廣泛應用于人們日常生活的方方面面。

［1］趙凱華,羅蔚菌,編.新概念物理教程：熱學[M].北京：高等教育出版社,1998.

［2］錢偉長.微分方程的理論及其解法[M].北京：國防工業出版社,1992.