引入
为什么热量总是从高温流向低温,反过来却不会自发发生?
为什么破镜不能自动复原?
第二定律为什么不能用“概率小”来解释一切?
第一定律说能量守恒,但不规定方向。第二定律补上方向:有些过程虽然能量守恒,却永远不会自发发生。这条定律引入了一个新的状态函数——熵。
正文
定义
热力学第二定律指出:孤立系统的熵不会减少。等价表述为:热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,而不引起其他变化。
三种等价表述
| 表述 | 内容 | 关注点 |
|---|---|---|
| 克劳修斯表述 | 热量不能自发地从低温传到高温 | 热传递方向 |
| 开尔文表述 | 不可能从单一热源吸热并全部转化为功,而不产生其他影响 | 热功转化 |
| 熵增表述 | 孤立系统的熵不减少 | 统计方向 |
三种表述等价:违反其中一种,必然违反另外两种。
熵增原理
孤立系统:
- 可逆过程:
- 不可逆过程:
熵是状态函数,定义为:
路径必须可逆才能这样积分。不可逆过程的熵变要通过设计一条可逆路径来计算。
可逆过程与不可逆过程
| 类型 | 特征 | 例子 |
|---|---|---|
| 可逆过程 | 能沿原路径反向复原,且不留下任何变化 | 理想准静态膨胀 |
| 不可逆过程 | 无法完全复原 | 摩擦、热传导、自由膨胀、混合 |
真实过程都是不可逆的。可逆过程只是理想极限,用来计算熵变。
判断不可逆的常见标志:
- 有摩擦或黏性耗散
- 有有限温差的热传导
- 有自由膨胀
- 有不同物质的混合
熵的统计解释
玻尔兹曼给出:
其中 是微观状态数, 是玻尔兹曼常量。
熵增意味着系统从微观状态数少的状态,演化到微观状态数多的状态。这不是“必然”,而是“概率极大”。详见熵。
第二定律的意义
| 层面 | 意义 |
|---|---|
| 方向性 | 规定自然过程的方向 |
| 效率限制 | 热机效率不可能达到 100% |
| 时间箭头 | 给出宏观时间的方向 |
| 信息 | 熵与信息量相关 |
卡诺定理
定义
卡诺定理:在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切热机,可逆热机的效率最高;所有可逆热机的效率都相等,与工作物质无关。
卡诺热机由两个等温过程和两个绝热过程组成:
等温膨胀(吸热 Q₁,温度 T₁)
↓
绝热膨胀(降温到 T₂)
↓
等温压缩(放热 Q₂,温度 T₂)
↓
绝热压缩(升温回 T₁)卡诺热机效率:
其中温度必须用热力学温度(开尔文)。
| 实际热机 | 效率(约) | 卡诺效率 |
|---|---|---|
| 汽油机 | 25–30% | 约 60% |
| 柴油机 | 35–45% | 约 65% |
| 蒸汽轮机 | 40% | 约 55% |
实际效率远低于卡诺效率,因为存在摩擦、有限温差传热等不可逆因素。
卡诺定理的推论:
| 推论 | 说明 |
|---|---|
| 效率上限 | 任何热机效率不超过 |
| 可逆机最优 | 相同温区下可逆热机效率最高 |
| 温区决定上限 | 提高 或降低 才能提高上限 |
这也是为什么热机追求“高温高压”:提高高温热源温度是提高效率最直接的方向。
能量的退化
能量在数量上守恒,但在品质上有差别。
| 能量形式 | 可转化性 | 品质 |
|---|---|---|
| 机械能、电能 | 可以完全转化为热 | 高 |
| 高温热能 | 部分可转化为功 | 中 |
| 低温热能 | 几乎不能转化为功 | 低 |
热量从高温传到低温时,总能量不变,但“可做功的部分”减少了。这个不可逆过程使能量的品质下降,称为能量的退化(能量耗散)。
这就是第二定律的另一层含义:能量虽然守恒,但可用性不会自发增加。
| 说法 | 是否正确 |
|---|---|
| “能量守恒,所以不会出现能源危机” | 不准确,可用能会减少 |
| “回收废热可以完全转化为功” | 受卡诺定理限制 |
| “温度越低的物体能量越少” | 不一定,还要看热容和质量 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “熵总是增加” | 只有孤立系统才成立,开放系统可以熵减 |
| “第二定律禁止局部有序” | 生命、晶体都是局部熵减,靠外界输入能量 |
| “熵增是必然的” | 是统计上的极大概率,不是逻辑必然 |
| “第二定律可以从牛顿力学推出” | 需要统计假设,不能单靠力学 |
| “效率 100% 只是技术问题” | 是原理限制,卡诺定理禁止 |
引出
卡诺定理如何从第二定律推出?
熵的统计定义与热力学定义如何等价?
生命体的高度有序是否违反第二定律?
为什么“能源危机”本质上是“可用能危机”?