熱力學(xué)第二定律理論體系的討論

　　在自然條件下，高溫物體會(huì )通過(guò)不斷地熱傳遞將能量傳遞給低溫物體，從而實(shí)現溫度變化，以下是小編搜集整理的一篇探究熱力學(xué)第二定律理論體系的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　【摘 要】縱觀(guān)世界物理學(xué)研究的歷史，我們不難了解到熱力學(xué)四大定律的基礎和應用，在熱力學(xué)的宏觀(guān)解釋上做出了重要貢獻。在熱力學(xué)研究過(guò)程中，人們始終力圖尋求一種能量守恒的思維來(lái)解釋和發(fā)明新技術(shù)并用于各種領(lǐng)域，熱力學(xué)第一定律的提出，將能量守恒用于特殊過(guò)程中，如通過(guò)做工和熱傳遞進(jìn)行的內能轉化，然而實(shí)際中卻并不實(shí)用，直到熱力學(xué)第二定律的提出才打破了這一現狀，從可逆補熱循環(huán)和微分方程等基本理論上闡明了能量的轉換與守恒。然而一開(kāi)始形成的熱力學(xué)第二定律理論體系存在著(zhù)較大的弊端，后來(lái)的物理學(xué)家通過(guò)不斷地實(shí)踐和推導總結出了新的熱力學(xué)第二定律理論體系，為熱力學(xué)乃至物理學(xué)整體的發(fā)展都有著(zhù)很強的現實(shí)意義。

　　【關(guān)鍵詞】熱力學(xué)第二定律;理論體系;討論

　　我們都知道，永動(dòng)機是不可能制成的，這是因為它違背了能量守恒定律，盡管從古至今有很多科學(xué)家都在不斷研究新的方法進(jìn)行理論體系的構建，但是物體始終不可能在不發(fā)生任何變化的情況下讓熱量從提問(wèn)物體傳導到高溫物體，也不可能將單一熱源在吸收的熱量不發(fā)生表面其他變化的基礎上全部用來(lái)做功，一定會(huì )通過(guò)內能或機械能等進(jìn)行其他能量的轉化，根據這一問(wèn)題，我們來(lái)研究一下熱力學(xué)第二定律理論體系的構建和含義。

　　1 熱力學(xué)第二定律概述

　　1.1 熱力學(xué)第二定律的含義

　　在自然界中，很多相互接觸的物體之間發(fā)生的作用效果都是不可逆的，而這種不可逆性反應出了物體之間彼此有一種互相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，在熱力學(xué)第二定律中，最基本的條件就是該過(guò)程是不可逆的，這也是熱力學(xué)第二定律的基礎，其次是所有物體之間的聯(lián)系與轉化都是具有自發(fā)性的，無(wú)論是可逆還是不可逆，都是物體屬性的表現與能量的表達，在宏觀(guān)現象中，我們可以看到的所有熱力學(xué)轉化過(guò)程都可以用熱力學(xué)定律來(lái)解釋?zhuān)�其中，熱力學(xué)第二定律是指：自然界中所有的運動(dòng)過(guò)程都不可能輕易恢復原狀，除非施加人為因素或外部相關(guān)條件的控制，在變化的過(guò)程中，過(guò)程終點(diǎn)與過(guò)程起點(diǎn)是有很大不同的，這種結果的差異會(huì )帶來(lái)不同的影響，在這里，我們用“熵”這個(gè)狀態(tài)函數來(lái)進(jìn)行差異化表達：

　　當Sf=Si時(shí)，在熱力學(xué)中我們表述為熱力學(xué)運動(dòng)的可逆過(guò)程;當Sf>Si時(shí)表述為熱力學(xué)的不可逆運動(dòng)過(guò)程，其中Sf是變化的熵，與Si之間是結果和起點(diǎn)的關(guān)系，體現了系統整體的差異性產(chǎn)生，并可以通過(guò)這一差值分析運動(dòng)過(guò)程能量轉化的因素。在單純的熱量變化中，我們假設兩個(gè)系統是毫無(wú)關(guān)聯(lián)的，即同一系統不受到周?chē)�系統的控制和影響，那么不可逆運動(dòng)過(guò)程熵是呈不斷增加的趨勢的，且符合線(xiàn)性相關(guān)的特點(diǎn)，這也反映了熱量系統從小功率向大功率轉化的過(guò)程，在這一過(guò)程中熱量發(fā)生的是無(wú)規律無(wú)秩序的變化狀態(tài);而相同條件下可逆反應的熵是不變的，這也為永動(dòng)機提出了科學(xué)的否定和批判，就像水往低處流一樣，是不能通過(guò)自身的變化而改變這種規律的。

　　1.2 熱力學(xué)第二定律的研究意義

　　在自然條件下，高溫物體會(huì )通過(guò)不斷地熱傳遞將能量傳遞給低溫物體，從而實(shí)現溫度變化，這也是基于熱力學(xué)第二定律的基礎上形成的重要規律，在宏觀(guān)空間內，大量的分子是以基本不變的方向進(jìn)行熱傳導的，盡管單獨每個(gè)分子的運動(dòng)并不規律，但是卻體現了物理變化的方向性，其實(shí)無(wú)論物理變化還是化學(xué)反應都是不可逆的，因為要想實(shí)現方向的轉化需要加入外界力量，而這一力量的控制也需要產(chǎn)生相應的能量的，如機械能、電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。熱力學(xué)第二定律理論體系的構建，在人們的生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生了重要影響，首先否認了永動(dòng)機理論的不科學(xué)性，又在熱量傳輸的基礎上研發(fā)出大量對人們基本生活密切相關(guān)的器件和設施，如人們給癟胎的自行車(chē)打氣，是通過(guò)大氣壓強原理，將氣體從外界壓入，如果將自行車(chē)的氣門(mén)芯拔下，在打氣口出會(huì )產(chǎn)生一定的熱量，這便是通過(guò)氣體摩擦做功而形成的熱量，這一熱量是不可逆的。

　　2 熱力學(xué)第二定律理論體系的構建

　　熱力學(xué)第二定律理論體系的構建經(jīng)歷了數十年、大量的科學(xué)家通過(guò)不斷進(jìn)行實(shí)踐和調查總結提出，最早是在19世紀，由紐可門(mén)、巴本進(jìn)行的研究發(fā)明證實(shí)的，以此為基礎，瓦特進(jìn)行了蒸汽機的改良，并投入到生產(chǎn)和使用中，如運輸領(lǐng)域、礦業(yè)開(kāi)采、工廠(chǎng)運作等領(lǐng)域，不僅提高了工作效率，也降低了成本，然而此時(shí)人們對熱力學(xué)第二定律還并沒(méi)有確切的認識，理論認識膚淺、實(shí)踐分析不到位等弊端暴露，在這一背景下，熱力學(xué)第二定律關(guān)于提高熱機工作效率的工作開(kāi)始大量開(kāi)展。

　　1824年，卡諾在其個(gè)人發(fā)表的“論火的動(dòng)力”一文中提出了“卡諾定理”，主要是為了提高熱機的熱效應，通過(guò)熱效應的體現降低熱機的能量散失，提升工作效率，然而在現在看來(lái)，卡諾定理并不正確，因為他主要根據傳統的“熱質(zhì)說(shuō)”進(jìn)行分析的。直到1840年到1847年，焦耳等人扎扎實(shí)實(shí)建立起熱力學(xué)第一定律，并廣泛應用于熱力學(xué)領(lǐng)域，在這一階段，“熱動(dòng)說(shuō)”被人們普遍接受，在一年后，開(kāi)爾文根據卡諾定理制作出了新的“熱力學(xué)溫標”，通過(guò)特殊物質(zhì)的引入，在實(shí)際中克服了各種能量的轉化與散失，更為準確地測定環(huán)境溫度。1850年，勞斯休斯通過(guò)“熱動(dòng)說(shuō)”重新研究卡諾定理，根據熱量能夠在自然條件下由高溫物體向低溫物體轉化的特點(diǎn)，得到了熱力學(xué)第二定律的基本內容，此后經(jīng)過(guò)多次修改，最終得出了我們目前教科書(shū)中的“開(kāi)爾文表述”，這便是目前的熱力學(xué)第二定律理論體系，這一體系主要是針對能量轉化進(jìn)行的研究和分析，物體的能量不會(huì )消失也不會(huì )憑空產(chǎn)生，而是可以通過(guò)機械能轉化為內能，再全部轉化為熱量，這是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，因此與這一觀(guān)點(diǎn)不符的熱力學(xué)過(guò)程都是不成立的，如滾動(dòng)的足球最終會(huì )停在地面上，是因為在足球運動(dòng)過(guò)程中會(huì )與地面進(jìn)行摩擦生熱，將機械能轉化為內能。

　　3 熱力學(xué)第二定律理論體系的應用研究

　　熱力學(xué)第二定律的提出，解決了在物體相互作用中的能量轉化問(wèn)題，不僅確定了永動(dòng)機在原理上的不可實(shí)現性，同時(shí)也解決了人們日常生活中的許多問(wèn)題，如上文中提到的運動(dòng)的足球會(huì )停在地面上、自由下落的籃球每次反彈的高度會(huì )越來(lái)越低直到不再反彈、人們在跑步的過(guò)程中會(huì )逐漸地感到累，等等這都是能量轉化的結果，在不受任何力的作用下，足球不可能越動(dòng)越快，籃球不可能反彈距離越來(lái)越高，人們也不可能越跑越快，都是熱力學(xué)第二定律的實(shí)踐應用。關(guān)于這一理論體系的應用研究，應該注意以下問(wèn)題：

　　3.1 熱力學(xué)第二定律只適用于宏觀(guān)過(guò)程，并不適用與微觀(guān)粒子，如分子間的作用力;

　　3.2 熱力學(xué)第二定律主要適用于無(wú)生命特征的物體，如桌子、籃球、書(shū)等，如果對人體等動(dòng)物進(jìn)行分析，則需要研究多種特征以及內部的其他反應，很難按照常規分析方法進(jìn)行研究，也就是說(shuō)，熱力學(xué)第二定律適用“絕熱”和“孤立”兩個(gè)系統特征，在熱力學(xué)第二定律體系構建的過(guò)程中要著(zhù)重考慮這一問(wèn)題;

　　3.3 盡管在熱力學(xué)發(fā)展的很長(cháng)一段時(shí)間內，熱力學(xué)第二定律這一理論體系都顯示出了很強的優(yōu)越性和適用價(jià)值，但是這一理論體系自身還是有著(zhù)一定的局限性，并不能將時(shí)間和空間無(wú)限擴展，人們在對物體的能量進(jìn)行研究時(shí)也不要野心太重，企圖將能量應用到全宇宙中，將能量在全宇宙中進(jìn)行自由轉化，實(shí)現整個(gè)宇宙空間的熱平衡狀態(tài)，這顯然是不切實(shí)際的。

　　對于熱力學(xué)第二定律，盡管在高中的物理課本中就有過(guò)一定的接觸，但是我們要將眼光放長(cháng)遠，從自然和生活的角度去看待這一新的理論體系，希望通過(guò)熱力學(xué)的相關(guān)研究，不斷構建各個(gè)領(lǐng)域獲得價(jià)值實(shí)現的理論基礎，讓這一能量轉化定律廣泛應用于人們日常生活的方方面面。

　　【參考文獻】

　　[1]趙凱華，羅蔚菌，編.新概念物理教程：熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

　　[2]錢(qián)偉長(cháng).微分方程的理論及其解法[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

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