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如何理解熱力學第二定律兩種表述的一致性?

導讀      熱力學第二定律有多種表述,但最具代表性的有兩種,即開爾文表述和克勞修斯表述.1.開爾文表述英國物理學家開爾文(1824~1907),1845年畢業于劍橋大學,1846年受聘為格拉斯哥大學自然哲學教授,長達50余年,1851年被選為英國皇家學會會員,1877年被選為法國科學院院士,1890年至1895年擔任皇家學會會長,他對熱學和電磁學的發展都作出了重要的貢獻.1851年開爾文在愛丁堡皇家學會會刊上發表了一篇論文,題目是“論熱的動力理論”,文章指出:不存在這樣一個循環過程,系統從單一熱源吸收熱量,使之完全變為有用功而不產生其他影響.表述中“單一熱源”是指溫度均勻且恒定的熱源;“其他影響”指除了由單一熱源吸熱,把吸收的熱用來

??????熱力學第二定律有多種表述,但最具代表性的有兩種,即開爾文表述和克勞修斯表述. 1.開爾文表述英國物理學家開爾文(1824~1907),1845年畢業于劍橋大學,1846年受聘為格拉斯哥大學自然哲學教授,長達50余年,1851年被選為英國皇家學會會員,1877年被選為法國科學院院士,1890年至1895年擔任皇家學會會長,他對熱學和電磁學的發展都作出了重要的貢獻. 1851年開爾文在愛丁堡皇家學會會刊上發表了一篇論文,題目是“論熱的動力理論”,文章指出:不存在這樣一個循環過程,系統從單一熱源吸收熱量,使之完全變為有用功而不產生其他影響.表述中“單一熱源”是指溫度均勻且恒定的熱源;“其他影響”指除了由單一熱源吸熱,把吸收的熱用來做功以外的任何其他變化.若有其他影響產生時,把由單一熱源吸來的熱量全部用以對外做功是可能的.自然界任何形式的能都可能轉化為熱,但熱卻不能在不產生其他影響的條件下完全轉變成其他形式的能.開爾文的論述雖然較克勞修斯晚一年,但他的論述更為明確,使得熱力學第二定律的研究更加深入,此外,開爾文還從第二定律斷言:能量耗散是普遍趨勢. 2.克勞修斯表述 德國物理學家克勞修斯(1822~1888),曾在柏林大學學習4年,后于1848年畢業于哈雷大學.1850年他任柏林皇家炮工學校物理教授,1855年后他相繼任蘇黎士維爾茨堡和波恩大學物理教授.他除了建立熱力學第二定律,引入態函數——熵,還對氣體分子動理論做了較全面的論述,用統計平均的方法導出了理想氣體的壓強、溫度和氣體的平均自由程公式. 克勞修斯于1850年在《德國物理學年鑒》上率先發表了《論熱的動力及能由此推出的關于熱本質的定律》,把卡諾定理作了揚棄而改造成與熱力學第一定律并列的熱力學第二定律.他提出,熱量總是自動地從高溫物體傳到低溫物體,不可能自動地由低溫物體向高溫物體傳遞.或者說不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體,而不引起其他變化.即在自然條件下,這個轉變過程是不可逆的,若想讓熱傳遞的方向逆轉,則必須消耗功才能實現. 以上兩種表述是等效的,說明了熱量不可能全部轉化為機械功以及這一轉化過程的方向性.人們一度曾設想一種能從單一熱源吸收熱量,使之完全轉變成有用的機械功而不產生其他影響的第二類永動機,第二類永動機雖不違背熱力學第一定律,但違背熱力學第二定律,因而是不可能造成的.第二定律除了以上兩種表述外,還有其他不同的表述,例如熱效率為100%的熱機是不可能制成的;不需要由外加功而可操作致冷的機器是不可能造成的等.第二定律無論采用何種表述,其內容實質相同,不外乎主張不可逆變化的存在.各種表述的實質在于說明一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的.

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