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[复习]热力学第二定律论文[复习]热力学第二定律论文 热力学第二定律 【摘要】热力学第二定律是热力学的基本定律之一~是指热永远都只能由 热处转到冷处(在自然状态下)。它是关于在有限空间和时间内~一切和热 运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。本文综述了该定律的 发现、演变历程、并介绍了它在工农业生产和生活中的应用。 【Abstract】Second law of thermodynamics is one of the fundamental laws of thermodynamics is that heat will ...

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[复习]热力学第二定律论文 热力学第二定律 【摘要】热力学第二定律是热力学的基本定律之一~是指热永远都只能由 热处转到冷处(在自然状态下)。它是关于在有限空间和时间内~一切和热 运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。本文综述了该定律的 发现、演变历程、并介绍了它在工农业生产和生活中的应用。 【Abstract】Second law of thermodynamics is one of the fundamental laws of thermodynamics is that heat will always be only by heat to a cool place (in the natural state). It is about the limited space and time, and the thermal motion of all the relevant physical and chemical processes are irreversible in the lessons learned. In this paper, the discovery of the law, development process, and introduces its industrial and agricultural production and the application of life. 【关键词】热力学第二定律~演变历程~生活应用 【Key words】second law of thermodynamics,livejournal,application 【引言】热力学第二定律是人们在生活实践~生产实践和科学实验的经验总结~ 它们既不涉及物质的微观结构~也不能用数学加以推导和证明。但它的正确性已 被无数次的实验结果所证实。而且从热力学严格地导出的结论都是非常精确和可 靠的。有关该定律的发现和演变历程是本文讨论的重点。热力学第二定律是有关 热和功等能量形式相互转化的方向与限度的规律~进而推广到有关物质变化过程 的方向与限度的普遍规律。由于在生活实践中~自发过程的种类极多~热力学第 二定律的应用非常广泛~诸如热能与机械能的传递和转换、流体扩散与混合、化 学反应、燃烧、辐射、溶解、分离、生态等问题~本文将做相关介绍。 1. 热力学第二定律及发展 1.1、热力学第二定律建立的历史过程 19世纪初~巴本、纽可门等发明的蒸汽机经过许多人特别是瓦特的重大改 进~已广泛应用于工厂、矿山、交通运输~但当时人们对蒸汽机的理论研究还是 非常缺乏的。热力学第二定律就是在研究如何提高热机效率问题的推动下~逐步 被发现的~并用于解决与热现象有关的过程进行方向的问题。 1824年~法国陆军工程师卡诺在他发表的论文“论火的动力”中提出了著 名的“卡诺定理”~找到了提高热机效率的根本途径。但卡诺在当时是采用“热 质说”的错误观点来研究问题的。从1840年到1847年间~在迈尔、焦耳、亥姆 霍兹等人的努力下~热力学第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起来了。“热 动说”的正确观点也普遍为人们所接受。1848年~开尔文爵士(威廉〃汤姆生) 根据卡诺定理~建立了热力学温标(绝对温标)。它完全不依赖于任何特殊物质的 物理特性~从理论上解决了各种经验温标不相一致的缺点。这些为热力学第二定 律的建立准备了条件。 1850年~克劳修斯从“热动说”出发重新审查了卡诺的工作~考虑到热传导总是自发地将热量从高温物体传给低温物体这一事实~得出了热力学第二定律的初次表述。后来历经多次简练和修改~逐渐演变为现行物理教科 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中公认的“克劳修斯表述”。与此同时~开尔文也独立地从卡诺的工作中得出了热力学第二定律的另一种表述~后来演变为更精炼的现行物理教科书中公认的“开尔文表述”。上述对热力学第二定律的两种表述是等价的~由一种表述的正确性完全可以推导出另一种表述的正确性。他们都是指明了自然界宏观过程的方向性~或不可逆性。克劳修斯的说法是从热传递方向上说的~即热量只能自发地从高温物体传向低温物体~而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。这里“不引起其他变化”是很重要的。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体~但是外界必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热~即机械能完全转化为内能可以的~在水平地面上运动的木块由于摩擦生热而最终停不来就是一个例子。但反过来~从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的。所谓“单一热源”~是指温度均匀并且保持恒定的热源~如果热源的温度不是均匀的~则可以从温度较高处吸收热量~又向温度较低处放出一部分~这就等于工作在两个热源之间了。所谓“不产生其他影响”~是指除了从单一热源吸热~这些热量全部用来做功以外~其他都没有变化。如果没有“不产生其他影响”这个限制~从单一热源吸热而全部转化为功是可以做到的~例如理想气体在等温膨胀过程中~气体从热源吸热而膨胀做功~由于这过程中理想气体保持温度不变~而理想气体又不考虑分子势能~因此气体的内能保持不变~从热源吸收的热量就全部转化成了功~但是这过程中气体的体积膨胀了~因此不符合“不产生其他影响”的条件。 1.2热力学第二定律的两个表述 自然界自发进行的过程具有方向性,总是由非平衡态走向平衡态 1. 开尔文表述(1851年):不可能制成一种循环动作的热机,只从单一热源吸取热量~使之完全变成有用的功而不产生其他影响。 pT,T12T高温热源 1 A WQ1T1 B 卡诺热机 W D QTC 22 oTV低温热源 2 2. 克劳修斯表述:热量不可能自动地从低温物体传到高温物体 T,T12pQT高温热源 11A Q1 T1 B W卡诺致冷机 W Q2D TC 2QV2 oT 低温热源 2 下面我们从反面来说明这两种说法的确是等价的: ?如果我们否定克劳修斯的说法~认为热量可以自发地从低温物体B传向高温物体A~见图4,1,a,的示意图~设这个热量为Q~我们再设想有一个卡诺热机~从高温热源A吸取热量Q~一部分转化为有用功W~另一部分Q′传给了低温热源B~这样的整个过程中~高温热源A没有发生变化~相当于只从低温热源B吸收了,Q,Q′,的热量而全部转化为有用功~而不产生其他影响~从而开尔文的说法也就被否定了。 ?反过来~如果我们否定了开尔文的说法~认为可以从单一热源A吸取热量~全部转化为有用功而不产生其他影响~见图4,1,b,的示意图~设这部分热量为Q~做的有用功为W,Q,W,~我们再设想这部分有用功是带动一个理想的1111 致冷机工作~它从另一个低温热源B处吸收热量Q~向热源A放出热量Q′~则21满足Q′=Q,W~而Q=W~所以Q′=Q,Q。这样~总的效果相当于从低温热12111121 源B处吸收了热量Q。~向高温热源A放出的热量Q′~在补偿了Q以后~正好11 也是Q~这就等于热量Q。自发地从低温热源B传向了高温热源地并没有发生其2 他变化~这就否定了克劳修斯的说法。 以上我们从正反两个方面说明了关于热力学第二定律的两种说法是等价的~它们都是关于自然界涉及热现象的宏观过程的进行方向的规律。其实~热力学第二定律还可以有其他很多种不同的表述方式。例如我国有一句成语“覆水难收”~其实是“覆水不收”。脸盆里的水泼到地上~是不可能再收回来的~这也可以看作是热力学第二定律的一种表述形式。广义地讲~只要指明某个方面不可逆过程进行的方向性就可以认为是热力学第二定律的一种表述~因为所有不可逆。 1.3热力学第二定律的实质 1.3.1可逆过程与不可逆过程 一个热力学系统~从某一状态出发~经过某一过程达到另一状态。若存在另一过程~能使系统与外界完全复原(即系统回到原来的状态~同时消除了原来过程对外界的一切影响)~则原来的过程称为“可逆过程”。反之~如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原~则称之为“不可逆过程”。 可逆过程是一种理想化的抽象~严格来讲现实中并不存在(但它在理论上、计算上有着重要意义)。大量事实告诉我们:与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程。 1.3.2对于开氏与克氏的两种表述的分析 克氏表述指出:热传导过程是不可逆的。开氏表述指出:功变热(确切地说~是机械能转化为内能)的过程是不可逆的。 两种表述其实质就是分别挑选了一种典型的不可逆过程~指出它所产生的效果不论用什么方法也不可能使系统完全恢复原状~而不引起其他变化。 请注意加着重号的语句:“而不引起其他变化”。比如~制冷机(如电冰箱)可以将热量Q由低温T2处(冰箱内)向高温T1处(冰箱外的外界)传递~但此时外界对制冷机做了电功W而引起了变化~并且高温物体也多吸收了热量Q(这是电能转化而来的)。这与克氏表述并不矛盾。 1.3.3不可逆过程几个典型例子 气体向真空自由膨胀) 如图1所示~容器被中间的隔板分为体积相等的两部分:A部分盛有理想气体~B部分为真空。现抽掉隔板~则气体就会自由膨胀而充满整个容器。 例2(两种理想气体的扩散混合) 如图2所示~两种理想气体C和D被隔板隔开~具有相同的温度和压强。当中间的隔板抽去后~两种气体发生扩散而混合。 例3 焦耳的热功当量实验。 这是一个不可逆过程。在实验中~重物下降带动叶片转动而对水做功~使水的内能增加。但是~我们不可能造出这样一个机器:在其循环动作中把一重物升高而同时使水冷却而不引起外界变化。由此即可得热力学第二定律的“普朗克表 述”。再如焦耳-汤姆生(开尔文)多孔塞实验中的节流过程和各种爆炸过程等都是不可逆过程。 1.3.4热力学第二定律的含义 对上面所列举的不可逆过程以及自然界中其他不可逆过程~我们完全能够由某一过程的不可逆性证明出另一过程的不可逆性~即自然界中的各种不可逆过程都是互相关联的。我们可以选取任一个不可逆过程作为表述热力学第二定律的基础。因此~热力学第二定律就可以有多种不同的表达方式。但不论具体的表达方式如何~热力学第二定律的实质在于指出:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的~并指出这些过程自发进行的方向。 热力学第二定律~也可以确定一个新的态 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ——熵。可以用熵来对第二定律作定量的表述。 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~人们就用态函数熵来描述这个差异~从理论上可以进一步证明: 可逆绝热过程Sf=Si~ 不可逆绝热过程Sf>Si~ 式中Sf和Si分别为系统的最终和最初的熵。 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 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 、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。 第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件:(1)该系统是线性的,(2)该系统全部是各向同性的。 2. 热力学第二定律的应用 2.1热力学第二定律的适用范围 (1)热力学第二定律是宏观规律~对少量分子组成的微观系统是不适用的。 (2)热力学第二定律适用于“绝热系统”或“孤立系统”~对于生命体(开放系统)是不适用的。早在1851年开尔文在叙述热力学第二定律时~就曾特别指明动物体并不像一架热机一样工作~热力学第二定律只适用于无生命物质。 (3)热力学第二定律是建筑在有限的空间和时间所观察到的现象上~不能被外推应用于整个宇宙。19世纪后半期~有些科学家错误地把热力学第二定律应用到无限的、开放的宇宙~提出了所谓“热寂说”。他们声称:将来总有一天~全宇宙都是要达到热平衡~一切变化都将停止~从而宇宙也将死亡。要使宇宙从平衡状态重新活动起来~只有靠外力的推动才行。这就会为“上帝创造世界”等唯心主义提供了所谓“科学依据”。 “热寂说”的荒谬~在于把无限的、开放的宇宙当做热力学中所说的“孤立系统”。热力学中的“孤立系统”与无所不包、完全没有外界存在的整个宇宙是根本不同的。事实上~科学后来的发展已经提供了许多事实~证明宇宙演变的过程不遵守热力学第二定律。正如恩格斯在《自然辩证法》中指出了“热寂说”的谬误。他根据物质运动不灭的原理~深刻地指出:“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径——指明这一途径~将是以后自然科学的课题——转变为另一运动形式~在这种运动形式中~它能重新集结和活动起来。”热力学第二定律和热力学第一定律一样~是实践经验的总结~它的正确性是由它的一切推论都为实践所证实而得到肯定 2.2热力学第二定律的统计意义 1.1877年~奥地利物理学家玻耳兹曼,Bolizmann,1844-1906,给出了一个著名公式:熵和体系宏观状态所包含的微观态数目的对数成正比~即 S,klnW ,K为玻耳兹曼常数~W 叫热力学几率, 所以熵是体系微观状态出现几率的量度~也是体系无序程度的量度。热力学第二定律的统计意义是:一个不受外界影响的“孤立系统”~其内部发生的过程~总是由几率小的状态向几率大的状态进行~由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。1. 理气分子由(真空)作绝热自由膨胀~分子全回室的概率: 2. 统计结论: ? 分子均匀分布的概率较大 ? 个分子由绝热自由膨胀~分子全回室的概率为 ? 不可逆过程~实质上是系统由概率小的宏观态向概率大的宏观态变化的过程 3. 不可逆过程的统计解释 ? 绝自膨~不均均 ? 热传导~不均均 ? 功热转换:规则运动能无规则运动能 逆向过程概率很小~实际观察不到 2.3热力学第二定律的一些典型应用 2.3.1对时间的理解 我们已经知道~热力学第二定律事实上是所有单向变化过程的共同规律~而时间的变化就是一个单向的不可逆过程~对每个人都一样~时间一去不复还~ 因此还可以这样理解:时间的方向~就是熵增加的方向。这样~热力学第二定律就给出了时间箭头。物理学的进一步研究表明~能量守恒与时间的均匀性有关。这就是说~热力学第一定律告诉我们~时间是均匀流逝的。结果我们看到:热力学第一定律指出~时间是均匀的,热力学第二定律指出~时间是有方向的。这两条定律合在一起告诉我们:时间在向着特定的方向均匀地流逝着。正如一句古诗描述的情景:“长沟流月去无声”。这使得我们可以从另一新的角度来认识时间。2.3.2 黑洞温度的发现 1972年~30岁的英国青年物理学家霍金,S.Hawking~1942,,~提出了黑洞的“面积定理”。证明了黑洞的面积A随时间变化只能增加~不能减少~即 ,A,0。 这个定理认为~物质落入黑洞、两个黑洞相撞等导致黑洞面积增加的过程~是可以发生的。而一个黑洞分裂为两个黑洞的情况~由于会导致黑洞面积减少~因而是不可能发生的。面积定理~不由使人想起热力学中的“熵”。但是黑洞面积与熵是风马牛不相及的两种东西~这样去联想它们~是不是太荒唐了呢, 几乎与此同时~青年物理学家贝根斯坦和斯马尔~各自独立得出了关于黑洞的一个重要公式。这个公式把黑洞的一些参量组合成了类似于热力学第一定律的形式 k,M,,A,,,J,V,, 8, 式中、、分别是黑洞的总质量、总角动量、总电荷,、、分别是黑洞的MJQAΩV表面积、转动角速度和表面上的静电势。k称为黑洞的表面重力。此公式与普通转动物体的热力学第一定律表达式 ,U,T,S,,,J,V,Q 非常相似。式中U、T、S分别是系统的内能、温度和熵,Ω、J、V、Q等物理意义与前式类似。比较这两个公式不难看出~黑洞面积A确实像熵S~而黑洞的表面重力k非常像温度T。不久~人们又研究出黑洞的另外两个性质~很像普通热力学的第零定律和第三定律。下表比较了普通热力学四定律与黑洞力学的相应性质: 普通热力学 黑洞力学 处于热平衡的物体~具有均第零定律 k是常数 稳态黑洞的表面上~匀温度T k ,U,T,S,,,J,V,Q,M,,A,,,J,V,, 第一定律 8, ,S,0,A,0 第二定律 不可能通过有限次操作~使 不可能通过有限次操作~使 k 降第三定律 T 降到零 到零 难道黑洞真的有温度吗,为此人们进行了热烈的争论。1973年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞专家联名发表了一篇论文~声称:可以模仿热力学定律给出黑洞力学的四条定律~但黑洞的温度不能看作真实温度~因为黑洞没有热辐射,不可能有任何物质跑出黑洞:,~而有真实温度的物体~应该有热辐射。因此他们把黑洞的四条定律~谨慎地称为“黑洞力学四定律”~而不是“黑洞热力学四定律”。 但是~几个月后,1973年底,~霍金就宣称~他已证明~黑洞有热辐射~黑洞的温度是真实的~其值为 3ck, T,,8,kGM2,kBB 式中k 是玻尔兹曼常数~k是黑洞表面的重力加速度。对于一个M=M,太阳质量,Bs,8的黑洞~=6×10K~可以忽略不计,而对于一个质量为10亿吨的小黑洞~温度T12可达10K。随着黑洞质量不断减少~黑洞的温度急剧升高~辐射越来越强~直至黑洞消亡为止。所以~“黑洞不黑~他会蒸发,黑洞不黑~越小越白。”黑洞热辐射的发现~是黑洞研究的重大突破~也是时空理论的重大突破。为了纪念霍金的功绩~人们把黑洞热辐射叫做霍金辐射。 1998年5月~安装在哈勃望远镜上的最新红外线摄象机拍摄的一些照片表明~在距离地球1000万光年的半人马座A射电源的中央~存在一个巨大的黑洞~其质量比10亿个太阳还要大~它正在吞噬由恒星构成的一个螺旋形星系。这些被高速吞噬的物质的温度达数百万开~从而使黑洞中有超热气流喷出~并且发出强大的X射线和射电信号。 2.3.3耗散结构理论的形成 ,1, 自组织现象与经典热力学的矛盾 一个系统内部由无序自发地变为有序~使其中大量分子或单元按一定的规律运动的现象~称为自组织现象。生命过程和无生命过程都存在着自组织现象。生命过程中~从分子、细胞直到有机个体和群体的不同水平上~无论在空间还是在时间上~都呈现初了有序现象。际上~生物体持续进行的自组织过程~就是系统内不平衡的表现~而且~这一过程不会达到平衡,一旦达到平衡~有序状态就会消失~生命也就终止了。因此~这些自组织现象无法用玻耳兹曼有序原理来解释。现象等。无生命世界和有生命世界都有自组织现象~使人们认识到这两个世界在这方面遵循着相同的规律。普利高津,I.Prigogine~1917—,的耗散结构理论~就是在把物理和生物过程结合起来研究时提出来的~着重用热力学方法进行分析。哈肯,H.Haken,在研究激光发射过程并与生物过程等加以类比的基础上~于1976年创立的协同学~着重于用统计物理的方法进行分析。 ,2,通过涨落达到有序——耗散结构的形成 当代比利时著名物理学家普利高津,I.Prigogine~1917—,认为热力学第二定律是自然界的一条基本规律。他在不违背热力学第二定律的条件下~找到了开放系统由无序状态变为新的有序状态的途径~解决了经典热力学与生物进化论之间的矛盾。开放系统就是与封闭系统、孤立系统相反~是不断地与外界交换物质和能量的系统。对于非孤立系统~dS =dS+dS, dS ——熵产生~由系统内部ie i 不可逆过程产生,dS——熵流~由系统与外界交换能量或物质所引起。熵产生e dS ~永远不可能为负值~而熵流dS则可正可负还可为零。由于外界有负熵流入~ie 系统的总熵可以保持不变乃至减小~系统保持稳定或者达到有序~形成“耗散结构”。在开放和远离平衡的条件下~在与外界环境交换物质和能量的过程中~通过能量耗散过程和内部的非线性动力学机制来形成和维持的宏观时空有序结构~叫作“耗散结构”,1969年,。他认为~宇宙是一个无限发展的开放系统~自然界不会变得越来越无序~而会变得越来越丰富多采~会形成各种新的有序结构~因此~他也不同意宇宙热寂说。从目前天文物理观测事实来看~宇宙不是向着热 寂发展~而是离开热平衡态越来越远。 参考文献: 1、《热力学与统计物理学》~龚昌德编~高等教育出版社~1984年版。 2、《物理学史》~郭奕玲、沈慧君著~清华大学出版社。2000年版。 3、《热学》~李椿、章立源、钱尚武编~人民教育出版社~1982年版。 4、《基础物理学 教程 人力资源管理pdf成真迷上我教程下载西门子数控教程protel99se入门教程fi6130z安装使用教程 》~陆果著~高等教育出版社~1999年第二版。 5、《现代物理知识》~2001年第3期。 6、《探求上帝的秘密》~赵诤著~科学出版社~2000年版。 7、《改变世界的物理学》~倪光炯等著~复旦大学出版社~1999年版。 8、《热学》~常树人编著~南开大学出版社~2001年版。
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