物理學(xué)學(xué)年論文

1、論文成績(jī)學(xué)年論文題 目 熱力學(xué)第二定律 姓 名 邱黃鵬 學(xué) 號(hào) 1010407020 專業(yè)年級(jí) 10級(jí)物理學(xué)七班 指導(dǎo)教師 歐陽(yáng)生德 2012年 5 月 20 日熱力學(xué)第二定律摘要熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，是指熱永遠(yuǎn)都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處(在自然狀態(tài)下)。它是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理、化學(xué)過(guò)程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。熱力學(xué)第二定律有兩種經(jīng)典表述，二者表述具有等效性。法國(guó)人尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾的研究（卡諾循環(huán)，卡諾定理）包含了熱力學(xué)第二定律的基本思想。熱力學(xué)第二定律揭示了實(shí)際宏觀過(guò)程的不可逆性。熱力學(xué)第二定律在科學(xué)發(fā)展上具有很

2、多的意義，也揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性。關(guān)鍵詞 熱力學(xué)第二定律，卡諾循環(huán)，意義, 不可逆，歷史發(fā)展引言 本論文主要是以大一學(xué)年，熱學(xué)課程為背景選材。熱力學(xué)第二定律是有關(guān)熱和功等能量形式相互轉(zhuǎn)化的方向與限度的規(guī)律，進(jìn)而推廣到有關(guān)物質(zhì)的變化過(guò)程的方向與限度的普遍規(guī)律。熱力學(xué)第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。本論文主要是對(duì)熱力學(xué)第二定律的初步理解與分析。一、 熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述1. 開(kāi)爾文-普朗克表述：不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量變?yōu)楣Γ划a(chǎn)生其他影響。 解釋： （1）這里強(qiáng)調(diào)的是“不

3、留下其他任何變化”，是指對(duì)熱機(jī)內(nèi)部、外界環(huán)境及其他所有（一切）物體都沒(méi)有任何變化。 開(kāi)爾文普朗特說(shuō)法說(shuō)明了熱轉(zhuǎn)化為功，必須要將一部分熱量轉(zhuǎn)給低溫物體（注意，這可是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，高溫向低溫傳熱哦），也即必須要有一個(gè)“補(bǔ)償過(guò)程”為代價(jià)。 （2）熱全部轉(zhuǎn)化為功，是可以的，但必須要“留下其他變化”。如等溫過(guò)程中，熱可以全部轉(zhuǎn)變成功，但這時(shí)熱機(jī)內(nèi)部工質(zhì)的“狀態(tài)”變了（即工質(zhì)不能回到初始狀態(tài)。其實(shí)，這樣的熱機(jī)實(shí)際上是不存在的），是留下了變化的。2. 克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生任何其他影響。 解釋： （1）這里需要強(qiáng)調(diào)的是“自發(fā)地、不付代價(jià)地”。我們通過(guò)熱泵裝置是可以實(shí)現(xiàn)“將熱

4、從低溫物體傳向高溫物體的”，但這里是付出代價(jià)的，即以驅(qū)動(dòng)熱泵消耗功為代價(jià)，是“人為”的，是“強(qiáng)制”的，不是“自發(fā)”的。所以，非自發(fā)過(guò)程，如熱從低溫物體傳向高溫物體，必須同時(shí)要有一個(gè)自發(fā)過(guò)程為代價(jià)（這里是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能）為補(bǔ)償，這個(gè)過(guò)程叫“補(bǔ)償過(guò)程”。 （2）非自發(fā)過(guò)程（如熱從低溫物體傳向高溫物體）能否進(jìn)行，還要看花的“代價(jià)”是否夠，就是總系統(tǒng)（孤立系）的熵必須是增加的，或可逆下總熵不變。也就是說(shuō)，如果投入的“代價(jià)”不夠的話，非自發(fā)過(guò)程是不能進(jìn)行的，或是進(jìn)行得不夠徹底（不能達(dá)到預(yù)計(jì)的狀態(tài)）。孤立系總熵變不小于零，非自發(fā)過(guò)程才有可能進(jìn)行。3. 兩種表述的關(guān)系 兩種等效性的證明： 應(yīng)用反證法。 假

5、設(shè)開(kāi)爾文（以下簡(jiǎn)稱開(kāi)氏）說(shuō)法成立，而克勞修斯（以下簡(jiǎn)稱克氏）不成立（即熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體而不留下其他變化）。 （1）按照開(kāi)氏說(shuō)法，一熱機(jī)有兩個(gè)熱源工作在溫度為T(mén)1、T2兩個(gè)熱源之間，并從高溫?zé)嵩碩1吸熱Q1，對(duì)外做功W并向冷源T2放熱Q2，顯然Q1=W+Q2。 （2）若克氏說(shuō)法不成立，即可從低溫?zé)嵩碩2自發(fā)向高溫?zé)嵩碩1傳熱，并假定傳熱量為Q2。 （3）現(xiàn)在，將上述二者合在一起，形成一個(gè)新的熱機(jī)，并考察綜合效果，得出的結(jié)論是：新熱機(jī)從單一熱源T1吸收熱量(Q1-Q2)，并對(duì)外做功W，外界與新熱機(jī)均無(wú)變化。這顯然違背了開(kāi)氏說(shuō)法。 所以，若克氏說(shuō)法不成立，必然導(dǎo)致開(kāi)氏說(shuō)法也不成立

6、。同理也可以證明，若克氏說(shuō)法成立，而開(kāi)氏說(shuō)法不成立，同樣也導(dǎo)致克氏說(shuō)法也不成立。 由此可知，如果假定某一說(shuō)法不成立就必然導(dǎo)致另一說(shuō)法也不成立，但這違背了假設(shè)條件：開(kāi)氏說(shuō)法成立而克氏說(shuō)法不成立的假設(shè)。 因此，開(kāi)氏說(shuō)法成立，克氏說(shuō)法也成立，二者等效。二、 卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）是一個(gè)特別的熱力學(xué)循環(huán)，使用在一個(gè)假想的卡諾熱機(jī)上，由法國(guó)人尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾于1824年提出，克拉珀龍于1830年代至1840年代擴(kuò)充，是為了找出熱機(jī)的最大的工作效率而分析熱機(jī)的工作過(guò)程。圖一：1824年繪制的卡諾機(jī)示意圖圖二：卡諾循環(huán)的溫度熵作圖。圖三：卡諾

7、循環(huán)的壓力體積作圖。圖四：卡諾循環(huán)的溫度體積變化卡諾循環(huán)全由可逆過(guò)程組成，其中包括：§ 圖一AB、圖二12，可逆等溫膨脹：此等溫的過(guò)程中系統(tǒng)從高溫?zé)釒?kù)吸收了熱量且全部拿去作功。§ 圖一BC、圖二23，等熵（可逆絕熱）膨脹：移開(kāi)熱庫(kù)，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功，其能量來(lái)自于本身的內(nèi)能。§ 圖一CD、圖二34，可逆等溫壓縮：此等溫的過(guò)程中系統(tǒng)向低溫?zé)釒?kù)放出了熱量。同時(shí)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做正功。§ 圖一DA、圖二41，等熵（可逆絕熱）壓縮：移開(kāi)低溫?zé)釒?kù)，此絕熱的過(guò)程系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作負(fù)功，系統(tǒng)在此過(guò)程后回到原來(lái)的狀態(tài)。卡諾熱機(jī)的熱效率只取決于第一個(gè)狀態(tài)的溫度T1與第二個(gè)狀態(tài)的溫度T2，

8、以及從環(huán)境中吸收的熱量Q1和放出的熱量Q2，其熱效率=。因存在于現(xiàn)實(shí)中的熱機(jī)都是以不可逆循環(huán)來(lái)工作，現(xiàn)實(shí)中相同狀態(tài)下沒(méi)有任何熱機(jī)的效率可以達(dá)到以皆由可逆過(guò)程組成的可逆循環(huán)來(lái)工作的卡諾熱機(jī)的效率。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在相同的高、低溫?zé)嵩礈囟萒1與T2之間工作的一切循環(huán)中,以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理?？ㄖZ循環(huán)具有極為重要的理論和實(shí)際意義。雖然，完全按照卡諾循環(huán)工作的裝置是難以實(shí)現(xiàn)的，但是卡諾循環(huán)卻為提高各種循環(huán)熱效率指明了方向和給出了極限值。卡諾意義卡諾的研究具有多方面的意義。他的工作為提高熱機(jī)效率指明了方向；他的結(jié)論已經(jīng)包含了熱力學(xué)第二定律的基本思想，只是熱質(zhì)觀念的阻礙，他未能完全探

9、究到問(wèn)題的最終答案。由于卡諾英年早逝，他的工作很快被人遺忘。后來(lái)，由于法國(guó)工程師克拉珀瓏（BPEClapeyron，17991864）在1834 年的重新研究和發(fā)展，卡諾的理論才為人們所注意。克拉珀瓏將卡諾循環(huán)在一種“壓（力）-容（積）圖”上表示出來(lái)，并證明卡諾熱機(jī)在一次循環(huán)中所做的功，其數(shù)值恰好等于循環(huán)曲線所圍的面積?？死戥嚨墓ぷ鳛榭ㄖZ理論的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。三、 熱力學(xué)中的不可逆性 在熱力學(xué)領(lǐng)域中，不可逆過(guò)程是相對(duì)可逆過(guò)程而言的，指的是在時(shí)間反演變換下只能單向進(jìn)行的熱力學(xué)過(guò)程，這種熱力學(xué)過(guò)程所具有的性質(zhì)被稱作不可逆性。從熱力學(xué)角度而言，自然界中所有復(fù)雜的熱力學(xué)過(guò)程都具有宏觀上的不可逆

10、性。宏觀上不可逆性現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于，當(dāng)一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜到足夠的程度，組成其系統(tǒng)的分子之間的相互作用使系統(tǒng)在不同的熱力學(xué)態(tài)之間演化；而由于大量分子運(yùn)動(dòng)的高度隨機(jī)性，分子和原子的組成結(jié)構(gòu)和排列的變化方式是非常難于預(yù)測(cè)的。熱力學(xué)狀態(tài)的演化過(guò)程需要分子之間彼此做功，在做功的過(guò)程中也伴隨有能量轉(zhuǎn)換以及由分子間摩擦和碰撞引起的一定熱量的流失和耗散，這些能量損失是不可復(fù)原的。克勞修斯熵與不可逆性十九世紀(jì)五十年代德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪?#183;克勞修斯通過(guò)引入他的熵概念，首次在數(shù)學(xué)上量化解釋了熱力學(xué)過(guò)程的不可逆性。克勞修斯從熱機(jī)的效率出發(fā)，認(rèn)識(shí)到正轉(zhuǎn)變（功轉(zhuǎn)變成熱量）可以自發(fā)進(jìn)行，而負(fù)轉(zhuǎn)變（熱量轉(zhuǎn)變成功）作

11、為正轉(zhuǎn)變的逆過(guò)程卻不能自發(fā)進(jìn)行。負(fù)轉(zhuǎn)變的發(fā)生需要同時(shí)有一個(gè)正轉(zhuǎn)變伴隨發(fā)生，并且正轉(zhuǎn)變的能量要大于負(fù)轉(zhuǎn)變，這實(shí)際是意味著自然界中的正轉(zhuǎn)變是無(wú)法復(fù)原的?？藙谛匏乖谒?854年的隨筆關(guān)于熱的力學(xué)理論的第二基礎(chǔ)定理的一個(gè)修正形式中有相關(guān)描述。玻爾茲曼對(duì)不可逆性的統(tǒng)計(jì)詮釋宏觀上具有大量分子數(shù)的熱力學(xué)系統(tǒng)的行為是具有統(tǒng)計(jì)性的，它受到同樣具有統(tǒng)計(jì)意義的熱力學(xué)定律的制約。而從微觀上看，單個(gè)分子的行為受到牛頓力學(xué)的制約，而包括牛頓力學(xué)在內(nèi)的所有基礎(chǔ)性物理定律都在時(shí)間反演下成立，也就是說(shuō)單個(gè)分子的微觀行為，如單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)和碰撞是具有可逆性的。如此說(shuō)來(lái)，如果一個(gè)低熵的熱力學(xué)系統(tǒng)隨時(shí)間演化而到達(dá)了高熵的平衡態(tài)，從單

12、個(gè)分子的微觀角度來(lái)看這種演化是可逆的，即每個(gè)分子都有可能通過(guò)時(shí)間反演變換下的運(yùn)動(dòng)回到初始狀態(tài)。然而對(duì)于整個(gè)具有大量分子數(shù)的宏觀系統(tǒng)而言這是不可逆的，這是由于分子數(shù)量龐大，很難找到這樣一種特殊情形能夠使所有分子都滿足回到初始狀態(tài)的條件。而對(duì)于具有高熵的平衡態(tài)而言，可能的分子組態(tài)數(shù)量遠(yuǎn)比初始的低熵的分子組態(tài)數(shù)量多得多，從而在統(tǒng)計(jì)意義下，幾乎不可能出現(xiàn)這樣使熱力學(xué)系統(tǒng)獲得負(fù)熵的可逆過(guò)程。這就是奧地利物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼在十九世紀(jì)七十年代對(duì)不可逆性作出的統(tǒng)計(jì)詮釋,在他1877年10月的一篇名為熱的力學(xué)理論第二定律和概率計(jì)算或與熱平衡有關(guān)的幾個(gè)定律的論文中，他指出：“大多數(shù)情況下，初始狀

13、態(tài)也許是概率極小的伏態(tài)。系統(tǒng)由此向更大概率的狀態(tài)過(guò)渡，最后達(dá)到最概然狀態(tài)，即熱平衡狀態(tài)。若把這個(gè)觀點(diǎn)試用于熱力學(xué)第二定律，則通常稱為熵的這個(gè)量等同于這里所討論的狀態(tài)發(fā)生的概率?！睆倪@里的“熵等同于狀態(tài)發(fā)生的概率”這一概念出發(fā)，玻爾茲曼定義了所謂玻爾茲曼熵的概念，即熵正比于熱力學(xué)概率（分子組態(tài)數(shù)）的自然對(duì)數(shù)：其中k是玻爾茲曼常數(shù)，W是熱力學(xué)概率，即熱力學(xué)系統(tǒng)所有可能出現(xiàn)的分子組態(tài)數(shù)。四、 近年來(lái)對(duì)熱力學(xué)第二定律的質(zhì)疑熱力學(xué)第二定律是建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)和總結(jié)的基礎(chǔ)上的定律。雖然在過(guò)去的一百多年間未發(fā)現(xiàn)與第二定律相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但始終無(wú)法從理論上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明第二定律的正確性。自1993年以來(lái)，De

14、nis J.Evans等學(xué)者在理論上對(duì)熱力學(xué)第二定律產(chǎn)生了質(zhì)疑，從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的角度發(fā)表了一些關(guān)于“熵的漲落的理論，比如其中比較重要的FT理論2。而后G.M.Wang等人于2002在Physical Review Letters上發(fā)表了題為小系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)有悖熱力學(xué)第二定律的實(shí)驗(yàn)證明3。從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度證明了在一定條件下熱，孤立系統(tǒng)的自發(fā)熵減反應(yīng)是有可能發(fā)生的。雖然這些新的發(fā)現(xiàn)不至于影響到現(xiàn)存熱力學(xué)的應(yīng)用，但必然將對(duì)未來(lái)熱力學(xué)的研究產(chǎn)生一定的影響。熱力學(xué)第二定律是宏觀定律，不是微觀定律，因此這里所說(shuō)的“質(zhì)疑”，并不是對(duì)熱力學(xué)第二定律的質(zhì)疑，只是一種就像量子力學(xué)對(duì)牛頓力學(xué)一樣的補(bǔ)充。五、 熱力學(xué)第二

15、定律的意義熱力學(xué)第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。微觀意義一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。 第二類永動(dòng)機(jī)（不可能制成） 只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。 因?yàn)榈诙愑绖?dòng)機(jī)效率為100%，雖然它不違法能量守恒定律，但大量事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變成有用的功，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫物體，因此效率不會(huì)達(dá)到100%。第二類永動(dòng)機(jī)違法了熱力學(xué)第二定律。參考文獻(xiàn)1. 恩里科 · 費(fèi)米. 熱力學(xué).

16、多佛. 1956年版.2. 趙凱華,羅蔚茵. 新概念物理教程：熱學(xué). 高等教育出版社. 1992年版.3. 黃淑清, 聶宜如, 申先甲.熱學(xué)教程（第二版）.高等教育出版社. 1994年版.4. 郭奕玲, 沈慧君.清華大學(xué)出版社物理學(xué)史.2000年版.5. 龔昌德.熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué).高等教育出版社.1984年版.懷化學(xué)院學(xué)年論文評(píng)分表學(xué)年論文題目：姓名學(xué)號(hào)系別專業(yè)評(píng)價(jià)指標(biāo)指標(biāo)內(nèi)涵分值評(píng)分選題質(zhì)量目標(biāo)要求符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)綜合訓(xùn)練基本要求20選題難度選題難易度適宜，體現(xiàn)教學(xué)計(jì)劃對(duì)本科教學(xué)環(huán)節(jié)所規(guī)定的要求工 作 量論文安排科學(xué)、合理，與學(xué)校計(jì)劃安排規(guī)定的完成時(shí)間吻合綜合實(shí)際有較高的理論價(jià)值或?qū)嶋H價(jià)值能力水平查閱文獻(xiàn)能運(yùn)用多種手段查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，有一定的廣度30綜合運(yùn)用知 識(shí)綜合運(yùn)用知識(shí)能力強(qiáng)，能較系統(tǒng)地運(yùn)用相關(guān)理論與知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題方案設(shè)計(jì)研究方案設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，能較好體現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)方法手