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2.4 热力学第二定律
思考：能量转化的方向性
生活经验告诉我们,诸如热传递、摩擦生热等实际过程可以自发地朝某个方向进行，而它们的逆过程即使不违背能量守恒定律，也不能自发地进行。
大量事实表明，涉及热现象的自然过程都有方向性。
一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的？
1. 热力学第二定律的建立
热力学第二定律的建立过程
热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的，确定了各种形式能量之间转化的当量关系。
但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。
这就导致了热力学第二定律的出台。德国的克劳修斯、英国的威廉 汤姆逊（即开尔文）和奥地利的玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献。
1917年，德国能斯特进一步提出“绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律。
卡诺的热机理论
萨迪 卡诺，法国工程师，1812年进入巴黎多科工艺学院学习，1814年又进入工兵学校学习军事，1816年成为军事工程师，1828年退役，之后专心研究热机理论。1832年8月24日因霍乱病逝。
1824年，卡诺出版了《关于火的动力思考》，总结了他早期的研究成果。他给自己提出的实际任务是：阐明热机工作的原理，找出热机不完善的原因，以提高热机的效率。
在研究工作中，卡诺出色运用了类比和建立理想模型的方法。
卡诺的热机理论
类比：蒸汽机的热质（热质说）从高温加热器传向低温冷凝器而做功，就好象水车靠水从高处流向低处而做功一样。从而得出一正确结论：蒸汽机至少必须工作在一个高温热源和一个低温热源之间，凡是有温差的地方就能够产生动力。但他认为在这一过程中热质守恒，即从高温热源放出的热量和低温热源接收的热量相等。
卡诺的热机理论
19世纪初，蒸汽机在英国使用已有100多年的历史，大拿英国的工程师如瓦特等，大多是自学成材，他们凭借实践经验和熟练的技术摸索着改进蒸汽机。但在法国则不同，法国的理论科学家和实用工程师多是在学院中培养出来的，他们更注意蒸汽机的理论和原理的研究。卡诺就是如此。卡诺分析了蒸汽机的基本结构和工作过程后，撇开了一切次要因素，以普遍理论的形式提出了热机的理想模型。
理想热机的效率仅取决于加热器和冷凝器的温度，与工作物质无关，其工作过程由两个等温过程（当工作物质与两个热源接触时）和两个绝热过程（当工作物质和两个热源脱离时）组成一个循环。且它的一切过程可以逆方向进行，称为可逆卡诺热机。并且由此得出：任何实际热机的效率都不可能大于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率。
但由于他的过早病逝，使他未能继续热机的研究。
热力学第二定律的提出
19世纪中叶，开尔文（即威廉 汤姆逊）提出，根据能量的转化和守恒定律，对于热机应有Q1=Q2+A，所以热机的效率为：η=A/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1
从此式可看出，Q2越小，热机效率η越高。当Q2=0时η=1，但大量事实说明热机不可能只从单一热源吸取热量完全变为功，而不可避免地将一部分热量传给低温热源。
1851年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。
热力学第二定律的第二种开尔文表述为：第二种永动机是不可能造成的。
克劳修斯的贡献
克劳修斯同样发现了卡诺的失误，因为热机从高温热源得到的热量Q1不等于热机传给低温热源的热量Q2。因此他根据热传导总是从高温热源传向低温物体，而不可能自发的逆转这一事实，于1850年提出了热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。
其数学形式可表示为：dQ=dU+dW
2. 热力学第二定律的应用与意义
热力学第二定律的应用与意义
热力学第二定律是独立于热力学第一定律之外的又一基本定律。
每一个与热现象有关的宏观实际过程必须同时满足热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一、第二定律都是通过对宏观实际过程的观察、思考、分析得出的。
自然界中的宏观过程都具有方向性,然而逆着这种方向的过程对于生产生活和科学实践也是非常重要的,人们可以通过做功的方式来实现这些逆过程。
热力学第二定律的发现为人们更好地设计和利用这些逆过程、提高能源的使用效率提供了理论依据。
拓展：熵
熵的物理意义：1877年，一生致力于用统计力学研究热运动的玻尔兹曼指出：熵是分子无序的量度
熵增加原理：熵是从运动不能转化的一面去量度运动转化的能力，它表示着运动转化已经完成的程度，或者说是运动丧失转化能力的程度。在没有外界作用的情况下，一个系统的熵越大，就越接近于平衡状态，系统的能量也就越来越不能供利用了。
①用20元人民币在市场公平轻易购得一袋大米，而这袋大米却不能在市场上轻易地换成20元。
②封闭容器中原被限制在某一局部的气体分子一旦限制取消，分子将自由地充满整个容器，但却不能自发地再回缩到某个局部。
③瓷瓶落地成碎片，而碎片却不能自发回复成瓷瓶。
④生米煮成熟饭，熟饭却不能凉干成生米。
19 世纪中叶，物理学家研究发现，自然界发生的各种变化中，能量的总值虽然保持不变，但是能量可被利用的价值却越来越小，即能量退降了。
因此，我们要节约能源
思考与练习
有同学把热力学第二定律理解为“功可以全部转化为热量，但热量不能全部转化为功”，或“热量能从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体”。这些理解对吗？为什么？
根据热力学第二定律解释以下过程能否发生。
(1)打开杯盖后，杯中的茶水会自动变得更热。
(2)蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。
(3)空调通电后热量从温度较低的室内流向温度较高的室外。

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