淺談熱力學第二定律的應用

李 琦

（呂梁學院汾陽師范分校，山西 呂梁 032200）

在物理研究工作中物理學家對熱力學第二定律通常有兩種常見表述，一種是因為若想不使其他發生變化而讓熱量從溫度較低的物體傳到溫度高溫的物體基本是不可能的，所以我們可以按熱量進行熱傳遞過程中能量流動的方向來表述。除此之外還由于基本不能將熱量由單一源經過吸收所得到的熱量在不發生其他變化而都用來做功，所以我們可以根據能量的機械能和內能進行轉化的方向變化來表述。為此我們可以對第二定律進行永動機機制研究制造的以上兩個方向的應用進行探討。

一、熱力學第二定律概念

2.1 意義

對于以自然環境下熱能永遠都只會從熱處過渡到冷處作為主要含義的熱力學第二定律不僅僅是獨立在第一定律后的熱力學又一基本規律，同時還為我們形象的展示了參雜大量分子熱量的宏觀活動的方向。它為我們揭示了在一定空間、時間內，所有涉及熱運動的物理、化學過程都是不可逆返的，這也從根本上認定了永動機理論的不科學性。由第二定律作為日常生活主要依據的人們，其生產中可以通過合理有效的科學實驗進行總結歸納得出，但是由于推算論證的步驟方法過于繁瑣，數量過于龐大，使得第二熱力學定律不僅不能涉及到物質微觀結構，就連用常用的數學進行推導與驗證也不行。即便如此因為該定律是經過無數科學研究工作人員進行無數次熱力學試驗驗證，其精確度與可靠性是無可厚非的。

2.2 含義

由于自然界大多數不可逆過程內部都是具有互相關聯性質的，所以可任選不可逆過程其中之一充當熱力學第二定律的表述基礎。由此我們知道熱力學第二定律是可以有很多種不一樣的表達方式的。可是不論選擇哪種表達方式，在本質上學熱力學第二定律都為我們展示出：所有和熱現象有關聯的宏觀活動本質的逆轉性都是不相互的，同時為我們指出熱現象都是按照自發方向進行的。

熱力學第二定律，也可以確定一個新的態函數——熵。可以用熵來對第二定律作定量的表述。具體點說，其實熱力學第二定律就是告訴我們：所有自然界發生的的變化都不會自行恢復原狀的，都需要借助外界條件，變化期間初始與結束是存在很大差異的，這種差異會影響變化的方向，但是我們可以利用熵這個態函數來對差異進行描述，在理論上我們能夠進行初步證實：

熱力學絕熱反應可逆過程：Sf=Si；

熱力學絕熱不可逆反應過程：Sf>Si；

（其中Sf 是變化結果的熵，Si 是系統初始的熵，根據對熵的分析計算，我們可以發現熱力學系統的統計性質。）

由于在相對存在都毫無關聯且孤立的熱量變化可逆反應中，從始至終的熵基本是沒有變化的；但是在不可逆反應中，熵卻是基本呈現不斷增加的態勢，針對此現象我們還可以稱其為熵增加原理。這一原理通常也被看做是熱力學第二定律的另一表述。其間對于熵的增加可以看作是熱量系統內部發生了由小幾率向大幾率的變化，也可以看作是熱量反應發生了一個規律、秩序都比較有章可依的狀態轉變為一個基本無規則，也無秩序的變化狀態。

其實，通過上述熱力學第二定律的含義推算過程中我們就完全可以充分理解得出：永動機存在科學爭議是一種必然。

二、熱力學第二定律發展歷史

熱力學第二定律的研究發展史歷經數十載，并經過多位學者、科學家的一次次研究證實。最開始可以說是在十九世紀初，當時雖然被巴本、紐可門等研究發明并幾經改進，尤其是在瓦特研究改良后的蒸汽機基本成型，并被廣泛使用在多家大型工廠、采集煤礦的礦山甚至國家的主要交通運輸工作中，然而此時人們對蒸汽機的理論理解不到位，研究膚淺，在這種情況下可以解決熱現象并提高熱機效率的熱力學第二定律的研究工作浩浩蕩蕩開展了。

之后到了1824 年，卡諾這個法國高級陸軍工程師在發表的名為“論火的動力”的論文中提出了可以提高熱機效率的“卡諾定理”（卡諾定力結構圖如下圖圖一所示）。然而由于當時的卡諾是利用現在看來是錯誤的理論依據“熱質說”來進行研究。直到邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人在1840 年到1847 年間對熱力學機理進行研究，并在此基礎上扎實建立熱力學第一定律甚至其他一些更普遍的能量守恒定律。此時的“熱動說”已經基本被人們普遍接受。一年后開爾文爵士依據卡諾定理構建一個基本不依賴任何特殊物質具有的物理特性，在理論上基本解決各種經驗溫標不同的缺點的“熱力學溫標”，這些都是為熱力學第二定律的成立進行的鋪墊。在此之后于1850 年，克勞修斯利用前幾年普及的“熱動說”作為研究點進行卡諾定理審核，由于熱量的熱傳導基本都是自主的從溫度較高的物體將熱量傳遞給溫度較低的物體，克勞修斯得到熱力學第二定律的基本內容。其后幾經深入改進與修改，就出現了至今仍被廣大教材沿用的“克勞修斯表述”。但是同時期，科學家開爾文在對熱力學進行研究的過程中也在卡諾定理中從另一方面對熱力學第二定律進行了表述，這就是此后廣大教科書中所提到的“開爾文表述”。這兩種表述相互不影響，處于等價的平等關系，本質上都明確指示出能量在自然界宏觀變化過程中方向以及作用與能量的不可逆（如下圖圖二所示）。根據兩個平等理論的應用角度進行分析，針對克勞修斯的理論表述在能量進行熱傳遞的變化方向本質上看，只可以自主的由溫度較高的物體把熱量傳遞給溫度較低的物體，無法在不發生其他物質變化的情況下將熱量由溫度較低的物體傳遞給溫度較高的物體。然而如果參考下圖圖三所示的結構顯示，我們可以通過致冷機從溫度較低的物體熱量轉移給溫度較高的物體，其間一定存在外界做功。然而根據開爾文的理論表述內容主要是以熱功轉化作為基本內容的。如果根據能量守恒定律是可以實現機械能全部轉化成內能的，將能量的功全部轉變成熱量，舉個例子：因為活動摩擦生熱在平面上運動的木塊最后都會停下。與此相反，想要在不發生其他變化完全將由單一熱源所吸收的熱量轉變為有用功基本上是不可能的。

當然，從熱力學第二定律的發展史中我們就可以清楚看到永動機的制造只能是個空想，基本從始至終都是必受爭議的。

（圖一：卡諾定理證明理論結構圖）

（圖二：開爾文第二定律表述與克勞修斯第二定律表述邏輯結構關系）

（圖三：能量在熱機與制冷機的轉化結構圖）

三、熱力學第二定律應用探究

熱力學第二定律因為可以解決熱量傳遞過程中轉化問題，所以實際應用很廣，根據上述給出的熱力學第二定律定義與意義，熱力學第二定律有以下三點實踐應用，具體內容如下問所示：

(1) 由于熱力學第二定律是物理學熱量問題的宏觀規律，所以熱力學第二定律不適用于少數分子構建組成的結構微觀型系統體系。

(2)根據上述內容，我們知道熱力學第二定律普遍對熱量的“絕熱”以及“孤立”兩個系統體系在有生命的性能結構屬于開放型的物體上面不適用。所以當開爾文于1851 年對物理熱力學第二定律進行論述時，就明確指出：物理熱力學第二定律對無生命氣象的物質適用，但是對于有生命性征的動物體就不能像性能正常的熱機一樣按常規進行有一定規律的工作。

(3)物理熱力學第二定律具有很廣泛的應用價值，在十九世紀前半期主要應用在建筑工程的限定性空間與時間的物質能量變化問題上，但是到了本世紀后半期也有科學家不顧應用局限性，將熱力學第二定律錯誤的應用在空間、時間都范圍無限的、開放的宇宙空間的物質變化中，甚至給出“熱寂說”并聲稱：未來某天，能量會在整個宇宙空間內實現一種熱平衡狀態，那時所有的能量物質變化都會停下，等到那時整個浩瀚的宇宙就真的死亡了，這是很大膽的設想。發表這一觀點的科學家妄想未來的某一天將處于穩定，能量基本平衡的宇宙重獲新生，再次重新活動起來，但是實際上這種想法只有存在外力進行推動才可能實現。當然從表面上看這一說法為唯心主義如上帝創造世界等說法提供了證據不足但論述提出者堅信的“科學依據”。

(4)根據熱力學第二定律熱傳導機理，此定律也被廣泛應用在造船焊接技術、供電工程電力傳輸技術、甚至橋梁施建技術等方面的應用潛質。

其實除卻上述的應用，備受科學家爭議的永動機，才是熱力學第二定律最初最根本的應用設想，然而卻因為根本不可能實現而日漸被以上的常見應用途徑所掩蓋。

四、結論

對于熱力學第二定律，在高中物理學習中大多數人都進行過初步接觸，期間對于充當永動機的制造原理更是引人注目，本文通過初步對熱力學第二定律進行應用性能的研究與探討，希望可以讓更多人認識到熱力學第二定律雖然是熱學活動研究工作中重要熱量反應定律，更被應用于人們日常生活的各個領域，但是并不能以此作為永動機制造的理論依據。

[1]張啟仁. 熱力學第二定律的一個普遍的信息論證明［J］.中國科學G輯：物理學力學天文學，2008，38（6）：781-784.

[2]趙凱華，羅蔚茵編.新概念物理教程-熱學[M].高等教育出版社，1998.

[3]潘雯，嚴仲強.從熱力學第二定律討論熱力學過程［J］.廣西物理.2002，23（03）.