11.6 热力学第二定律在线视频

同学好

这一节我们讲热力学第二定律

人们在经验中发现一切与热现象有关的

自然宏观过程都是不可逆的

或者我们说实际宏观过程都具有方向性

刚才我讲的这些呢

实际就是热力学第二定律的内容

有的教科书呢

把它说成是热力学第二定律的实质

因为什么呢

它跟历史上热力学第二定律的经典表述

不太一样

说的虽然是同一个物理规律

但是表述方法有一些差异

如果你想理解

热力学第二定律的经典表述内容的话

我们先还要认识下面这个相关的一个规律

各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性

是相互依存的

那这里面相互依存是什么意思呢

它是指那些个过程的不可逆性

它们之间是有联系的

其中哪一个过程的不可逆性消失了的话

其它的不可逆性也随之消失

就是这么个意思

下面呢我们举例来说明

功变热和热传导这两个过程的

不可逆性之间具有相互依存的关系

假如功变热这个过程的不可逆性消失了的话

热传导这个过程的不可逆性呢 也将随之消失

功变热过程的不可逆性意味着

你可以把热转变为功而且这是唯一的效果

也就是说你可以设计一个这样的热机

从一个热库呢吸热把它全部变成功

那么这样的热机呢 我们把它叫做单热源热机

现在我们假设这个水槽里面装了水了

水里面有个叶片 叶片跟这个轴连在一起

轴转动呢就可以带动这个叶片用来搅动这个水

现在我们把这个单热源热机做的功

用来转动这个叶片搅动这个水

这实际是克服水的阻力做功的过程

结果呢就是水和叶片的内能呢就增加了

根据热力学第一定律

这个过程增加的内能呢

其实就是外界对它做的功

那么这个过程它的净效果

实际是你从这个热库吸热

把它传给了水和这个叶片这个系统

但是我们一开始设计这个单热源热机的时候啊

这个热库的温度我们让它低于这个水的温度

所以你这里面相当于

是从低温物体把热传向了高温物体

这等于是热传导的这个过程的不可逆性被破坏了对吧

反过来假如热传导这个过程的不可逆性

消失了的话

功变热这个过程的不可逆性呢也将随之消失

我们下面呢 可以设计这样一个热机

从高温热库吸热Q1向低温热库放热Q2

然后中间呢就做功了

由于你假设了热传导这个过程的

不可逆性消失了

所以你可以从这个低温热库吸热Q2

传向高温热库啊

这样的结果呢

对于这个低温热库来说它吸热Q2放热Q2

等于什么都没有发生

所以这个过程它的净效果相当于

你是从高温热库吸热把它全部变成了功

当然做的功就是吸热和放热的这个差值对吧

你等于制造了一个单热源热机

前面我们说了你能制造单热源热机

它等效于就是功变热这个过程的不可逆性消失了

我们再看一个例子

功变热这个过程的不可逆性假如消失了的话

那么气体向真空中绝热自由膨胀的

这个不可逆性呢它也将消失

假设现在有一个气缸 里面有气体 它的温度是T

现在我快速地 非常快地把这个活塞往外拉

拉到一个地方停下来

由于这个过程太快

这个气体呢还来不及跟上来

过一会儿呢 当然这气体就开始绝热膨胀过来了

充满了这个气缸

假如 功变热这个过程的

不可逆性假如消失了的话

我们就可以设计这么一个单热源热机啊

我从这个热库吸热把它全部变成功

干什么呢 我来压缩这个气缸里面的这个气体

假设这个气体是理想气体的话

我这个压缩过程是等温压缩

准静态等温压缩

那么这个过程当中呢

很显然气体的内能是不改变的

根据热力学第一定律外界对它做的功呢

就等于它在这个过程中对外放的热

现在我们是这样设计的

气体的温度啊高于这个热库的温度

所以你在这个过程当中

我把这个热啊放回热库

所以这个过程中呢

这个热库等于什么都没有发生

因为它放出来热量Q又吸热Q

那净余的这个效果是什么呢

就是你这个气缸里面气体啊

被压缩回原来的这个状态了

那等于是说气体向真空中绝热自由膨胀

的这个过程的不可逆性不就消失了么

反过来如果气体向真空中绝热自由膨的

这个过程的不可逆性消失了的话

功变热这个过程的不可逆性呢也将随之消失

我们来看一看

现在这里面有个热库

我把这个气缸呢和这个热库接触

气缸呢从这个热库吸热Q

假设这个气体呢是理想气体

我呢通过等温准静态过程膨胀

那么等温准静态这个过程呢

理想气体内能不改变

所以它吸的热就等于对外做的功

刚才你不是说气体向真空中绝热自由膨胀

这个过程不可逆性消失了么

所以我就可以把这个气缸里面的气体呢

自动压缩回原来的这个状态

也就是说气缸里面气体呢什么都没有改变

这个过程净余的效果实际是从一个热库吸热Q

然后把它全部变成了功

这不等于又制造一个单热源热机了么

那么前面我们讲过

单热源热机就相当于功变热这个过程

不可逆性消失 对吧

我们还可以讨论各种自然过程不可逆性之间的

依存关系

不过我们在这里面不一一列举啊

总之所有宏观过程的不可逆性

都是相互依存相互沟通

其中一个过程的不可逆性消失的话

其它过程的不可逆性也将随之消失

这样的话热力学第二定律

你只需对其中某一个过程的不可逆性

做出表述的话就可以了

那么历史上呢克劳修斯有一个表述

它是对于热传导这个过程的不可逆性做的表述

也就是说热量不能自动的

由低温物体传向高温物体

和它等价的一个表述是开尔文-普朗克表述

它是对功变热这个过程的不可逆性做的表述

也就是其唯一效果是热全部变成功的过程

是不可能的

前面我们讲过功变热这个过程的不可逆性

如果消失的话

你就可以制成一个单热源热机 对吧

所以这句话呢也等效于说

单热源热机是不可能制成的

我们有的时候啊

把这个单热源热机叫做第二类永动机

那么原则上

你可以对热力学第二定律有你自己的表述

你可以挑选任意一个过程的宏观过程的

不可逆性

做你自己的表述

这个原则上不会有什么问题

但是我们尊重历史

保留这两个等价的形式

作为热力学第二定律的标准表述

好 这节内容就讲到这儿 谢谢