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热力学第二定律在生活中的应用
摘要：热力学第二定律作为判定与热现象有关的物理过程进行方向的定律，是物理热学中的一个重要部分。本文分析了热力学第二定律的涵义以及意义，并阐述了它在当今社会的一些应用。
关键词：热力学第二定律；物理过程；应用
引言：
热力学第二定律，不仅决定了能量转移的方向问题，对信息技术，生命科学以及人文科学的发展都起到了非常重要的作用，应用极其广泛。热力学第二定律对新世纪的科学技术乃至整个社会的发展都产生重要影响。
１ 热力学第二定律内涵

德国物理学家克劳修斯，在研究和明卡诺定理时， 根据热传导这个不可逆程， 对规律性的内涵提出了一种说法， 这后来被称为热力学第二定律的克劳修斯法： 热可以自发地由高温物体传到低温体， 但不可能由低温物体传到高温物体而引起其它变化。不能简单把克劳修斯说法理解成热不能由低温物传到高温物体，而是在不允许引起其变化和条件下，热不能由低温物体传到高物体，如若允许引起其它变化和话，热是可以由低温物体传到高温物体的。
开尔文是从机械能和内能之间相互转化时具有向性的角度来表述的。通过一定装置，机能可以全部转化成内能。但是，内能却不自发地完全转化成机械能。要实现内能全转化成机械能，必须借助其他物理变化机械能和内能之间的转化是具有方向性的此种表述也包含两层含义，即若从单一源吸收热量，并把它完全用来做功，同时不允许产生其他变化，则这种热力学过程不可能发生的；若允许产生其他变化，则单一热源吸收热量，并把它全部用来做功这种热力学过程是有可能发生的。
热力学第二定律指出了其不可逆过的单向性， 从热力学第二定律的这些表述发， 能够找到一个表征不可逆过程单向性物理量，利用它能够把热力学第二定律用为普遍的形式表示出来。克劳修斯定义一个态函数，认为自发过程的不可逆性决定于过程进行的过程或路径， 而是决定系统的初始状态和最终状态，称之为“熵用 Ｓ 表示从一个状态 Ａ 到一个状态 Ｂ 。
Ｓ 的变化定义为：
= (1)
对无限小过程ds = dq/T 。这样热力学第二律表示为 ds ≥ dq/T
在孤立系统中，任何变化不可能导致熵的问题减小，即ds ≥0。
如果变化过程是可逆的则 ds=0 ，总之熵是有增无减。
2、热力学第二定律的应用
２.1通过熵增原理，理解能源危机
按热力学第二定律的数学表达式， 对于与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系统，必有ds ＞0，这就是熵增原理。在孤立系统或绝热系统中进行的一切不可逆过程向熵增加的方向演化， 直到熵函数达到最大为止。在孤立或绝热条件下，系统自发地由非平衡态趋向平衡态的过程，正是一种熵增的过程。平衡态对应最大熵， 一定的外部条件确立系统的平衡态，最大熵也是指在一定外部条件下的最大。当人们燃烧煤、石油原子核，能量的问题并无变化，从热力学第一定律来看这一切，能量不会消失，也就不可能有能源危机。但是如果从热力学第二定律来看这一切， 就会使人们担心。燃烧资源，其结果是世界的熵无情地增加，它所贮存的能量的“质”随之衰退，并向空间弥散，于是我们把自己带进了能源危机之中。我们要做的不是保住能的数量，而是要珍惜它的“质”，应该合理使用能量，降低熵的产生，提高能量的利用效率，并不断开发新能源。
2.2 理解时间的流逝
热力学第二定律是自然界所有单方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的过程，因此可以这样假设：时间的运动方向，就是熵增加的方向。由此，热力学第二定律就给出了一个时间箭头，通过进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关，即热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。这两条定律合在一起就是：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。
2.3 在信息熵中的应用
人类在长期的电讯通信实践中，不断在力图提高通信的有效性和可靠性。提高有效性就是尽可能用最窄的频带，尽可能快和尽可能降低能耗，即提高通信的经济性；高可靠性，就是要力图消除或减少噪音，以提高通信的质量。随着电子通信发展到一定阶段后，人们在实践中发现，在一定的条件下，要同时实现上述这两个要求，会遇到不可克服的困难：要减少噪音的干扰，信息传输速率就得降低；反之，提高了传输速率就不能有效地避免噪扰，在一定的具体的客观条件下，想要同时提高电讯通信的效率和可靠性的企图总是失败的。于是有人想到在限定的条件下同时提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一种理论上的界限。1948年，美国贝尔电讯实验所的工程师申农提出了了一个数学模型，对于信息的产生和传输这些概念从量的方面给以定义，提出了信道和信息量等概念，利用熵的形成导入了信道容量这一新的重要概念，并且确定了信号频带宽度、超扰值和信道传输率三者之间的一般关系。从而， 我们可以用信息熵来描述信道上传输信息的容量。这就是热力学第二定律在信息传输技术中的一些应用。
2.4 形成宇宙的耗散结构理论
著名比利时物理学家普利高津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。他认为，开放系统的熵可以定义为
Ｓ＝ｄＳｉ＋ｄＳｅ (2)
其中 ｄＳｉ为熵产生，由系统内不可逆过程产生；ｄＳｅ 为熵流，由系统与外界交换能量或物质所引起。熵产生 ｄＳｉ 远不可能为负值，而熵流 ｄＳｅ 则可正可负还可以是零。由于外界有时候有负熵流入， 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”。由此， 普利高津得出我们的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彩，会形成各种新的有序结构，宇宙不可能处于“热寂”状态。从目前人类对天文观测的事实发现，宇宙是向着“热寂”发展，从而证实了普利高的热力学第二定律的应用正确性。
2.5黑洞热辐射的发现
1972年,英国物理学家霍金提出了黑洞的“面积定理”.证明黑洞的面积随时间的变化只能增加,不能少,即dA≥0。这不由人们想起了热力学中的“熵”。与此同时，物理学家贝根坦和斯马尔，各自独立地得出了关于黑洞的个重要公式,即
dM=k8PdA+8dJ+VdQ (3)
式中M、J、Q分别是黑洞的总质量、总角动量、总电荷;A、8、V分别是黑洞的表面积、转动速度和表面上的静电势,k称为黑洞的表面力.此式与热力学第一定律表达式，即
dU=TdS+8dJ+VdQ (4)
式(3) 式(4)非常相似。式中U、T、S分别是系统的内能、度和熵；8、J、V、Q等物理意义与前式类似。不难看出,黑洞面积A确实像熵S,而黑洞的面重力k非常像温度T。1973年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞专家联名发表一篇论文,声称可以模仿热力学定律给出黑力学的定律,但黑洞的温度不能看作真实。
3、结语
本文探讨了热力学第二定律的内涵，阐述了热力学第二定律在理解能源危机、理解时间的流逝的作用，分析了在信息熵中的应用，介绍了热力学第二定律在形成宇宙的耗散结构理论，黑洞热辐射的发现中的作用。
参考文献：
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