首先,熱力學(xué)第二定律的表述(表述)雖然有多種,但都反映了客觀事物的一個(gè)共同本質(zhì),即自然界中一切自發(fā)過(guò)程都具有“方向性”,一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的。
其次,熱力學(xué)過(guò)程的方向性可以用“熵”來(lái)衡量,即孤立系統(tǒng)內(nèi)一切實(shí)際過(guò)程的總熵增加,而在理想條件下(即可逆),總熵保持不變。
讓我們用兩個(gè)最常見(jiàn)的熱力學(xué)表述來(lái)理解它。
1.克勞修斯表述(1850年):熱量不能自發(fā)地、無(wú)代價(jià)地從低溫物體傳遞到高溫物體。
解釋:
(1)這里需要強(qiáng)調(diào)的是“自發(fā)的,沒(méi)有代價(jià)的”。我們可以通過(guò)熱泵裝置實(shí)現(xiàn)“熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體”,但這是有代價(jià)的,即以消耗功來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵為代價(jià)。它是“人為的”、“強(qiáng)迫的”,不是“自發(fā)的”。因此,非自發(fā)的過(guò)程,比如熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體,也必須有一個(gè)自發(fā)過(guò)程(這里指機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能)來(lái)補(bǔ)償。這個(gè)過(guò)程就叫“補(bǔ)償過(guò)程”。
(2)非自發(fā)過(guò)程(如從低溫物體向高溫物體傳熱)能否進(jìn)行,取決于所投入的“成本”是否足夠,即總系統(tǒng)(孤立系統(tǒng))的熵必須增加,或者在可逆條件下總熵不變。換言之,投入的“成本”不夠,非自發(fā)過(guò)程就不能進(jìn)行,或者不能進(jìn)行徹底(達(dá)不到預(yù)期狀態(tài))。非自發(fā)過(guò)程只有孤立系統(tǒng)的總熵變不小于零時(shí)才能進(jìn)行。
2.開爾文—普朗特表述(1851年):不可能制造一個(gè)熱發(fā)生器,它只吸收單一熱源的熱量,并將其全部轉(zhuǎn)化為功英語(yǔ)作文,而不留下任何其他變化。
解釋:
(1)這里強(qiáng)調(diào)的是“不留其他變化”,也就是說(shuō),熱機(jī)內(nèi)部、外界環(huán)境以及所有其他物體都沒(méi)有發(fā)生改變。
開爾文-普朗特理論解釋說(shuō)熱力學(xué)第二定律,熱量要轉(zhuǎn)化成功,必須把一部分熱量轉(zhuǎn)移給低溫物體(注意,這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程,熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移),也就是說(shuō),必須有一個(gè)“補(bǔ)償過(guò)程”作為代價(jià)。
(2)有可能把熱量全部轉(zhuǎn)化為功,但必須“留下其他變化”。例如熱力學(xué)第二定律,在等溫過(guò)程中,熱量可以全部轉(zhuǎn)化為功,但此時(shí)熱機(jī)內(nèi)部工作流體的“狀態(tài)”已經(jīng)發(fā)生了變化(即工作流體不能回到初始狀態(tài),事實(shí)上,這樣的熱機(jī)實(shí)際上并不存在),而留下變化。
總之,要正確理解熱力學(xué)第二定律,需要掌握以下幾點(diǎn):
1. 上述熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)表述及其等價(jià)性;
2.卡諾循環(huán)與卡諾定理、卡諾效率、ηT≤ηC;
3. 克勞修斯積分方程和不等式;
4.熵過(guò)程方程:dS≥dQ/Tr;
5、孤立系統(tǒng)熵增加原理:△Siso=∑△Si=Sg≥0;
6.封閉系統(tǒng)(控制質(zhì)量)熵方程:dS=dSg+dQ/Tr;(開放系統(tǒng)也要掌握)
7、能量折舊原則:dEx,iso≤0;
8.熵產(chǎn)生與機(jī)械能(火用)損失關(guān)系:I=To×Sg。