2 热力学基本定律

热力学第二定律与熵的变化热力学作为物理学的重要分支，揭示了能量转化、传递和熵的变化规律。

其中，热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它涉及能量和熵的变化关系，是描述自然界真实性质的重要依据。

热力学第二定律的核心思想是熵的增加趋势。

熵是用于描述系统无序程度和混乱程度的物理量，在热力学中，熵被定义为系统的无序度，表征了能量转化的不可逆性。

根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵总是不断增加，直至达到最大值。

在日常生活中，我们可以通过一些例子来理解热力学第二定律和熵的变化。

假设我们将一杯热水放置在室温环境中，我们会发现热水会逐渐冷却，而室温则不会自动升温。

这是因为热力学第二定律告诉我们，热量会从高温物体自发地传递到低温物体，而不会相反，这符合热力学第二定律所描述的自然趋势。

另一个例子是著名的“永动机”问题。

永动机是指能够不断提供功的机器，即使没有外界能量输入也能永久运转。

根据热力学第二定律，永动机是不可能存在的，因为它违背了熵增加的原则。

根据热力学第二定律，系统总是倾向于达到热平衡状态，能量会无功地转化为热能，熵不断增加。

因此，任何试图设计出永动机的尝试都注定失败。

熵在能量转化过程中发挥着重要的角色。

当能量从一个系统转移到另一个系统时，会伴随着部分能量的转化为不可用的热能，而不是全部转化为可用的功。

这就是为什么能量转化是不可逆的原因，从而导致熵的增加。

换句话说，熵的增加可以看作是能量转化过程中有用能量的损失。

然而，熵的增加也不是无限的，存在着一种极限状态，即热平衡状态。

当系统达到热平衡时，熵的增加停止，系统内部的能量达到一种均衡状态。

这种状态下，系统的熵不再发生变化，能量转化变得无法进行。

这说明了熵增加的过程是有限的，存在一种理想状态。

在工程实践中，我们通常将熵作为评估系统效率和能量损失的重要指标。

例如，在能源转换过程中，我们希望能够最大限度地提高能量转换效率，减少能量的损失。

通过分析系统中熵的变化，我们可以找到降低熵增加的方法，提高系统的能量利用效率。

热力学第二定律一、 自发反应-不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程）一个自发反应发生之后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响，也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。

二、 热力学第二定律1. 热力学的两种说法：Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化Kelvin ：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化2. 文字表述： 第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热，并将所吸收的热完全转化为功）功 热 【功完全转化为热，热不完全转化为功】（无条件，无痕迹，不引起环境的改变） 可逆性：系统和环境同时复原3. 自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程）特征：（1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性；（3）对环境做功，可从自发过程获得可用功三、 卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机）ηη≤ηη （不可逆热机的效率小于可逆热机）所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关四、 熵的概念1. 在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：ηηηη+ηηηη=η 任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数2. 热温商：热量与温度的商3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η（数值上相等） 4. 熵的性质：（1）熵是状态函数，是体系自身的性质 是系统的状态函数，是容量性质（2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和（3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变（4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量（5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性（6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变（7）在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。

热力学第二定律（英文：second law of thermodynamics）是热力学的四条基本定律之一，表述热力学过程的不可逆性——孤立系统自发地朝着热力学平衡方向──最大熵状态──演化，同样地，第二类永动机永不可能实现。

这一定律的历史可追溯至尼古拉·卡诺对于热机效率的研究，及其于1824年提出的卡诺定理。

定律有许多种表述，其中最具代表性的是克劳修斯表述（1850年）和开尔文表述（1851年），这些表述都可被证明是等价的。

定律的数学表述主要借助鲁道夫·克劳修斯所引入的熵的概念，具体表述为克劳修斯定理。

虽然这一定律在热力学范畴内是一条经验定律，无法得到解释，但随着统计力学的发展，这一定律得到了解释。

这一定律本身及所引入的熵的概念对于物理学及其他科学领域有深远意义。

定律本身可作为过程不可逆性[2]:p.262及时间流向的判据。

而路德维希·玻尔兹曼对于熵的微观解释——系统微观粒子无序程度的量度，更使这概念被引用到物理学之外诸多领域，如信息论及生态学等克劳修斯表述克劳修斯克劳修斯表述是以热量传递的不可逆性（即热量总是自发地从高温热源流向低温热源）作为出发点。

虽然可以借助制冷机使热量从低温热源流向高温热源，但这过程是借助外界对制冷机做功实现的，即这过程除了有热量的传递，还有功转化为热的其他影响。

1850年克劳修斯将这一规律总结为：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。

开尔文表述参见：永动机#第二类永动机开尔文勋爵开尔文表述是以第二类永动机不可能实现这一规律作为出发点。

第二类永动机是指可以将从单一热源吸热全部转化为功，但大量事实证明这个过程是不可能实现的。

功能够自发地、无条件地全部转化为热；但热转化为功是有条件的，而且转化效率有所限制。

也就是说功自发转化为热这一过程只能单向进行而不可逆。

1851年开尔文勋爵把这一普遍规律总结为：不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。

热力学第二定律的应用原理1. 热力学第二定律简介•热力学第二定律是热力学基本定律之一，它阐述了自然界中热量传递的偏好方向。

•热力学第二定律有多种表述形式，包括卡诺定理和熵增原理等。

•热力学第二定律的应用广泛，涵盖了热力学循环、热机、制冷等领域。

2. 卡诺定理及其应用•卡诺定理是热力学第二定律的重要表述之一，它给出了热力学循环效率的上限。

•热力学循环是指通过热传递来转化能量的过程，例如往复式热机和蒸汽轮机等。

•依据卡诺定理，可以设计高效率的热力学循环，并用于制冷、发电等应用领域。

3. 熵增原理及其应用•熵增原理是热力学第二定律的另一种表述形式，也被称为熵增定律或熵增原则。

•熵是热力学中描述系统无序程度的物理量，熵增原理指出在自然过程中，系统的熵总是增加的。

•熵增原理的应用体现在各种实际过程中，如燃烧、传热、化学反应等。

4. 热力学第二定律在制冷领域的应用•制冷是利用热力学循环原理，将热量从低温环境传递到高温环境的过程。

•热力学第二定律的应用在制冷领域中十分重要，通过合理设计制冷循环可以提高制冷效率。

•例如，制冷机和冷暖空调等设备都是基于热力学第二定律的原理来工作的。

5. 热力学第二定律在能源转化中的应用•能源转化是将热能转变为其他形式的能源，如动能、电能等。

•热力学第二定律在能源转化中起到了重要作用，限制了能量转化的效率。

•利用热力学第二定律的原理，可以优化能源转化的过程，提高能量利用效率。

6. 热力学第二定律在环境保护中的应用•热力学第二定律的应用不仅局限于能源转化和制冷领域，还扩展到环境保护领域。

•通过合理运用热力学第二定律的原理，可以减少能源浪费、降低环境污染的影响。

•例如，通过优化能源利用方式和制定合理的能源政策，实现可持续发展和环保目标。

7. 热力学第二定律的应用挑战与展望•虽然热力学第二定律在众多领域中有着广泛的应用，但仍存在一些挑战和问题。

•如何进一步提高能源转化效率、解决环境保护矛盾等，是热力学第二定律应用领域需要思考的问题。

热力学第二定律热力学是研究能量转化和能量传递的学科，而热力学第二定律是其中最重要的基本定律之一。

它提供了关于能量转化的方向性和限制性的基本原理，对于理解自然界中的能量变化过程具有重要的意义。

本文将对热力学第二定律进行详细讨论和解释。

1. 热力学第二定律的表述热力学第二定律有多种不同的表述方式，其中包括开尔文表述、卡诺表述和统计热力学表述等。

这些表述方式虽然从不同的角度出发，但都涉及到能量传递和转化的方向性问题。

开尔文表述认为任何一个永动机都无法制造，即能量无法从自然界中被完全转化为有用的功。

这是因为在能量转化过程中总会产生一定的热量损失，而热量是无法完全转化为功的。

卡诺表述将热力学第二定律与热机的效率联系起来。

卡诺定理指出，在相同的温度下，所有工作于制冷剂和热源之间的热机中，卡诺热机的效率是最高的。

这说明热能无法完全转化为功，必然会有一部分热量被排放到冷源中。

统计热力学表述则从微观粒子的概率分布出发，将热力学第二定律与系统的熵变联系起来。

熵是系统的无序程度的度量，热力学第二定律表明自然界中的系统熵趋于增大。

2. 热力学第二定律的意义热力学第二定律揭示了自然界中一种普遍存在的趋势，即能量从高温热源流向低温热源。

这种趋势不仅在宏观尺度上成立，也在微观尺度上成立。

热力学第二定律的意义在于它提供了一个能量转化的方向性标准，使我们能够理解和预测自然界中的各种能量转化过程。

3. 熵的概念与热力学第二定律的关系熵是热力学中一个重要的概念，它用来衡量系统的无序程度。

熵的增加意味着系统的无序程度增加，而热力学第二定律指出，自然界中系统的熵总是趋于增大的。

从微观角度看，系统中微观粒子的运动状态具有无序性，而能量转化过程中总会使得系统的微观粒子趋于更多的运动状态，因此系统的熵趋于增大。

这也解释了为什么自然界中的能量转化过程总是存在能量损失和热量排放的现象，而无法实现全部转化为有用功的理想状态。

4. 热力学第二定律的应用热力学第二定律不仅是理论上的基础，也是工程和实际应用中的重要依据。

热力学第二定律的研究和应用热力学第二定律，又称为熵增定律，是热力学中的基本定律之一。

它指出，一个孤立系统从一个有序的状态演化到一个无序的状态的概率永远是不断增加的。

这个定律的背后，是关于熵的概念的理解。

熵可以被理解为系统状态的混乱程度，也可以被看作是热力学过程中能量无法转化为有用能量的部分。

第二定律的熵增原理，可以被看作是一个物理学中的版图原理。

因为热力学第二定律在热力学中的作用极其重要，许多学者都在尝试去探究这个定律的实际意义及其应用。

以下，我们将通过一些案例研究，来说明热力学第二定律的研究和应用。

案例1：热机效率一个热机是如何利用热能来做功的呢？我们知道，热机的工作原理是基于热力学第二定律的。

它利用了两个热源的温度差异，将热能转化为机械能。

根据热力学第二定律的熵增原理，这个过程不可逆，系统的熵会不断增加。

因为熵的增加是热力学过程中不可避免的，所以我们需要衡量一个热机对于这种过程的运用效率。

对于一个热机，其效率可以被定义为所释放的热能与所摄取的热能之比。

这个比值在热力学中被称作“Carnot效率”。

Carnot效率被认为是所有热机可能达到的最大效率。

它的公式为：η = 1 - Tc/Th其中，η表示热机的效率；Tc和Th分别是热机在工作过程中吸收和释放热能的温度，Tc小于Th。

可以看到，Carnot效率里面有一个温度差Tc-Th的计算，这正是热力学第二定律的体现。

它告诉我们，只有当能量从高温区域流向低温区域时，才能进行有用的工作。

因为这个效率达到最大值时，热力学第二定律的熵增量也最小。

案例2：生态系统的稳定热力学第二定律不仅仅在热力学中有着重要的意义，它也对生态系统的演化和稳定产生了深远的影响。

在自然界中，生态系统未必总是处于平衡状态。

它们可能在某些情况下会经历灾难性的变化，如气候变化、物种灭绝、森林砍伐、沙漠化等等。

在这些情况下，生态系统中各种介质的熵将增加，许多生物将会适应生态系统瓦解、生物物种不断灭绝的过程，或者灭绝于此。

热力学第二定律英文
热力学第二定律，其译文为：The second law of thermodynamics。

热力学第二定律是热力学基本定律之一。

克劳修斯将其表述为：“热量不能自发地从低温物体转移到高温物体”。

开尔文表述为：“不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响”。

熵增原理：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。

在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。

除上述几种表述外，热力学第二定律还有其他表述。

如针对焦耳热功当量实验的普朗克表述：“不可存在一个机器，在循环动作中把以重物升高而同时使一热库冷却。

”黑首保劳-肯南表述：“对于一个有给定能量，物质组成，参数的系统，存在这样一个稳定的平衡态：其他状态总可以通过可逆过程达到之。

”
热力学第二定律说明：热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体；也可表述为：两物体相互摩擦的结果使功转变为热，但却不可能将这摩擦热重新转变为功而不产生其他影响。

对于扩散、渗透、混合、燃烧、电热和磁滞等热力过程，虽然其逆过程仍符合热力学第一定律，但却不能自发地发生。

热力学第一定律未解决能量转换过程中的方向、条件和限度问题，这恰恰是由热力学第二定律所规定的。

热力学的两大定律一、热力学第一定律与能量守恒定律能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不能凭空消失。

它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

某一种形式的能是否守恒是有条件的，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵循的基本规律。

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到：任何一种机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

而不能无中生有地创造能量，不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器（第一类永动机）是不可能制成的。

例1：约在1670年，英国塞斯特城的主教约翰·维尔金是设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜面顶上放一块强有力的磁铁，斜面上端有一小孔，斜面下有一连接小孔直至底端的弯曲轨道。

维尔金斯认为：如果在斜面底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小铁球运动到小孔P 处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜面底端Q ，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到斜面上端，到小孔P 处又掉下。

在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即能量转化和守恒定律被确定20年后，而且竟在德国取得了专利权！ 请你分析一下，维尔金斯的“永动机”能实现吗？解答：维尔金斯的“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。

小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但在小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能源，所以，维尔金斯的“永动机”不可能实现。

热力学第一定律：在与热现象相关的物理过程中，能的转化和守恒定律的具体表达形式就是热力学第一定律——物体状态变化的过程中，内能的增量等于外界对物体做的功与外界传递给物体的热量之和，其数学表达式为W Q U +=∆应用热力学第一定律时必须掌握好它的符号法则：（1）功0>W ，表示外界对系统做功；0<W ，表示系统对外界做功。

热力学第二定律是自然界的基本定律之一，描述了能量转换过程的方向性和效率极限。

该定律有几种不同的表述方式，但核心思想是一致的，主要包括以下几个方面：
1. 克劳修斯表述（Clausius Statement）：
热量不能自发地从低温体传到高温体。

这意味着热量只能从高温区域流向低温区域，如果没有外部工作或其他能量的消耗，热量不能自行从低温物体流向高温物体。

2. 开尔文表述（Kelvin-Planck Statement）：
不可能从单一热源吸取热量并完全转化为功，而不产生其他影响或在任何循环过程中不对外界做功。

也就是说，不存在一种装置可以从单一热源吸收热量并在没有任何废热排放的情况下，将其全部转化为有用的功，这就是所谓的第二类永动机是不可能存在的。

3. 熵增原理（Entropy Principle）：
在一个封闭（孤立）系统中，自发过程总是伴随着熵（S）的增加。

在不可逆过程中，系统的总熵永远不会减小，而在平衡状态下，系统的熵达到极大值。

这
里的熵可以理解为系统无序度或混乱程度的一个度量。

综合起来，热力学第二定律揭示了能量转换过程的自发性，即自然过程总是倾向于向熵更大的状态发展，并限制了能源转换的效率上限。

它阐述了能量在转换过程中不可避免的存在浪费，而且这种浪费是向着增加系统总熵的方向进行的。

热力学三大基本定律是什么？一文带你搞懂虽然从远古时期人类早就学会了取火和用火，人们就注意探究热、冷现象本身。

但是热力学成为一门系统的学科却要到19世纪，在19世纪40年代前后，人们已经形成了这样的观念:自然界的各种现象间都是相互联系和转化的。

人们对热的研究也不再是孤立地进行，而是在热与其他现象发生转化的过程中认识热，特别是在热与机械功的转比中认识热。

热力学在发展过程中形成了三大基本定律，它们构成了热力学的核心。

热力学第一定律：能量守恒定律德国物理学家迈尔从1840年起就开始研究自然界各种现象间的转化和联系。

在他的论文《与有机运动相联的新陈代谢)中，把热看作“力”(能量)的一一种形式，他指出'热是能够转比为运动的力“。

他还根据当时的气体定压和定容比热的资料,计算出热的机械功当量值为367kgm/千k。

在论文中，迈尔详细考察了当时已知的几种自然现象的相互转化，提出了“力“不灭思想，迈尔是最早表述了能量守恒定律也就是热力学第一定律的科学家。

1847年，德国科学家亥姆霍兹发表了著作《论力的守恒》。

他提出一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释，这个时候热力学第一定律也就是能量守恒定律已经有了一个模糊的雏形。

1850年，克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。

他认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。

” 加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素的行为相矛盾”来论证。

把热看成是一种状态量。

由此克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式：dQ=dU-dW从1854年起，克劳修斯作了大量工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这条原理。

经过重重努力，1860年，能量守恒原理也就是热力学第一定律开始被人们普遍承认。

能量守恒原理表述为一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。