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《熱力學(xué)第二定律》教學(xué)

 新用戶65120Joi 2022-06-20 發(fā)布于山西

直觀的感覺一下這些現(xiàn)象。

熱量無法自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,注意是自發(fā)的,非自發(fā)是完全可以實現(xiàn)得,空調(diào)就是干這個反自然的事的;將純酒精假如水中,會自發(fā)的變成酒精溶液,但酒精溶液無法自發(fā)地分離為純的酒精和水;氫氣和氧氣可反應(yīng)生成水,但水無法自發(fā)地分解為氫氣和氧氣;雜亂的房間無法自發(fā)地變整潔;返老還童只存在于玄幻中。

所有這些現(xiàn)象說明這樣一個事實,涉及內(nèi)能的能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移有關(guān)的自然界宏觀現(xiàn)象,都是不可逆的,具有方向性的。雖然這些現(xiàn)象不違背能量守恒定律,能發(fā)生的現(xiàn)象是多種自然規(guī)律的體現(xiàn),當然,首先需承認自然規(guī)律的客觀實在性,這也是之所以研究自然科學(xué)的最充分的理由。不如此,所謂的研究就變得幾乎毫無價值。通俗一點表述,就是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。這也就是熱力學(xué)第二定律所要闡述的思想。

無方程的熱力學(xué)第二定律有兩種否定表述,咋聽都不大像人話,不知是翻譯的原因,還是原著作者的語言功底,或者是定律確實難以理解,表述相對拗口。

熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述,德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出:熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。

這個表述的重點不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體,而是不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。熱量從低溫傳到高溫是事實,空調(diào)就是辦這個事的一種設(shè)備,但那不是自發(fā)地,需要壓縮機消耗電能來做功。

若將空調(diào)全部設(shè)備都放在一個與外界不進行熱交換的房間里,空調(diào)工作起來后相當于一個熱源,起得效果是一個電爐的效果。實際中,空調(diào)的壓縮機是裝于外邊的,向外排出的熱量要比從房間里取走的熱量多。

冰箱和空調(diào)的工作原理一樣,一臺開著門的冰箱是無法制冷的。

開爾文在分析了熱機及其他涉及做功的熱學(xué)過程后,于1851年提出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。這個表述可能就有點搞不懂說什么了。

結(jié)合實際了解一下,傳統(tǒng)汽車的核心部件就是內(nèi)燃機,排氣筒是不是僅僅用來排出廢氣呢?若稍微有點常識,就知道排氣筒的廢氣溫度還是挺高的,那可是燒油(燒錢)的結(jié)果呀,為何就不把排出的這部分內(nèi)能也轉(zhuǎn)化成汽車的動能呢?

這個表述反映了機械能和內(nèi)能的自發(fā)轉(zhuǎn)化方向,機械能可以自發(fā)的全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能不可能自發(fā)的全部轉(zhuǎn)化為機械能。

內(nèi)能若可以自發(fā)的全部轉(zhuǎn)化為機械能,就可以制造這么一臺機器,使其從氣溫熱源吸收熱量,全部用來做功,通過做功轉(zhuǎn)化為機械能,而機械能又可以自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。通過這么一臺設(shè)備,就實現(xiàn)了熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體這一克勞修斯表述無法實現(xiàn)的目標。從這個事例中可以得出,兩種熱力學(xué)第二定律的表述是等價的。

能源危機的實質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化方式造成的,與能量守恒定律不矛盾。各種能源的消耗,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。而散失到空間的內(nèi)能,難以再收集起來做功。

熵增定律:一個孤立系統(tǒng),由熱力學(xué)第二定律可以得出,熵是一直增加的。熵是描述系統(tǒng)混亂程度的物理量,越混亂熵越大。一個孤立的放有兩種不反應(yīng)的氣體系統(tǒng),因為氣體分子的熱運動,兩種氣體會混合得越來越均勻,從混亂程度來說,就是越來越混亂,熵不斷增大。

開放系統(tǒng)的熵是可以增加的,比如對于雜亂的房間來說,外界的人通過自己的勞動,將房屋打掃干凈、物品擺放整潔,對房間來說是一個熵減過程,但從更大的范圍來看,人打掃房間就需要做功,做功就需要進食,全盤考慮,整個大系統(tǒng)的熵還是增大了。

熱力學(xué)第二定律對宏觀系統(tǒng)熵變的一個結(jié)論:局部熵減的代價是更大系統(tǒng)范圍內(nèi)的熵增。

積極的人生就是一個一直維持熵減的過程,這是一個看上去逆熱力學(xué)第二定律的行為,這也就是自律可貴的原因。

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