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热力学第二定律

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
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热力学第二定律简介
1.1热力学第二定律定义
不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。①克氏表述：在与外界没有物质和能量交换的封闭系统（如热水瓶）中。②开氏表述：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。
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。
上述①中的内容是克劳修斯在1850年提出的。②的讲法是开尔文于1851年提出的。这些表述都是等效的。
在①的讲法中，指出了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。
在②的讲法中指出，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。
首先，人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机是第二类永动机它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。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。但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，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。
其次，从分子运动论的观点看，作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。
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。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。
1.根据热力学第零定律，确定了态函数温度；
2．根据热力学第一定律，确定了态函数内能和焓；　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。
2热力学第二定律过程
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:可逆绝热过程中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、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。
3热力学第二定律条件及单方向性
3.1热力学第二定律条件
热力学第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：该系统是线性的；该系统全部是各向同性的。另外有部分推论很有意思：比如热辐射：恒温黑体腔内任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。
3.2热力学第二定律单方向性
所有不涉及热现象的物理规律均时间反演对称, 它们没有对时间的方向作出规定. 所谓时间反演, 通俗地讲就是时光倒流; 而物理定律时间反演对称则指, 经过时间反演后, 该定律依然成立。
以牛顿定律为例, 它是时间反演对称的。不妨考察自由落体运动: 一物体由静止开始, 在重力作用下自由下落, 其初速度V(0)=0, 加速度a=g, 设其末速度为V(t), 下落高度为h. 现进行时间反演,则自由落体运动物体有其初速度,(0)=-V(t), 加速度=g, 末速度(t)=V(0), 上升高度为h, 易证这依然满足牛顿定律。
但热现象则不同, 一杯水初始温度等于室温, 为T(0), 放在点燃酒精灯上, 从酒精灯火焰吸收热量Q后温度为T(t). 现进行时间反演, 则是水的初温为 (0)=T(t), 放在点燃酒精灯上, 放出热量Q给酒精灯火焰, 自身温度降为(t)=T(0). 显然这违背了热力学第二定律关于热量只能从高温物体传向低温物体的陈述. 故热力学第二定律禁止时间反演. 在第一个例子中, 如果考虑到空气阻力, 时间反演后也会与理论相悖, 原因在于空气阻力做功产生了热。热力学第二定律体现了客观世界时间的单方向性, 这也正是热学的特殊性所在。热力学第二定律是热力学定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处[6]。
1824年法国工程师萨迪·卡诺提出了卡诺定理，德国人克劳修斯和英国人开尔文在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，即热力学第二定律。他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述在理念上是相通的。
4热力学第二定律的应用
两杯水里的热力学
热力学第二定理有许多表述,根据我的学习体会,描述为;孤立体系的热运动总是向着熵增的方向发展,并达到熵极大 (稳定的平衡态) 。
热力学第二定理包含有两个内容:1）时间之箭的方向；2）时间之箭的目标；
热力学第二定理对研究对象有个限制:孤立体系。下面的一个孤立体系，但是，热力学第二定理在运用上却存在问题:如桌面上有两杯水A B，水里悬浮有大量的电荷，外界对它们没有作用，可以把它们整体看作孤立体系，由热力学第二定理得，体系应该有一个稳定的平衡态。我们从部分看：比如A，它受到B的电作用，不能视为孤立体系，它有没有稳定态，就很成问题。同样B也是如此。同一研究对象，可能存在不同研究结果，只能说明理论对于这样的研究对象存在先天不足。
这一体系有没有稳定态，得有物理方程确定，物理方程应该包含热和电。 泊松方程 波尔兹曼方程，求解方程是困难的，它是非线型的，从直觉上讲，有解的可能性小。

热力学·统计物理结课作业

学院：理 学 院
班级：应用物理二班
学号：11510224
姓名：林 永 宏