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熱力學第二定律:揭示自然界自發(fā)過程的方向性與不可逆性

2024-06-10 20:54:54綜合與其它144

首先,熱力學第二定律的表述(表述)雖然有多種,但都反映了客觀事物的一個共同本質(zhì),即自然界中一切自發(fā)過程都具有“方向性”,一切自發(fā)過程都是不可逆的。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

其次,熱力學過程的方向性可以用“熵”來衡量,即孤立系統(tǒng)內(nèi)一切實際過程的總熵增加,而在理想條件下(即可逆),總熵保持不變。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

讓我們用兩個最常見的熱力學表述來理解它。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1.克勞修斯表述(1850年):熱量不能自發(fā)地、無代價地從低溫物體傳遞到高溫物體。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解釋:Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)這里需要強調(diào)的是“自發(fā)的,沒有代價的”。我們可以通過熱泵裝置實現(xiàn)“熱量從低溫物體轉移到高溫物體”,但這是有代價的,即以消耗功來驅(qū)動熱泵為代價。它是“人為的”、“強迫的”,不是“自發(fā)的”。因此,非自發(fā)的過程,比如熱量從低溫物體轉移到高溫物體,也必須有一個自發(fā)過程(這里指機械能轉化為熱能)來補償。這個過程就叫“補償過程”。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)非自發(fā)過程(如從低溫物體向高溫物體傳熱)能否進行,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)過程就不能進行,或者不能進行徹底(達不到預期狀態(tài))。非自發(fā)過程只有孤立系統(tǒng)的總熵變不小于零時才能進行。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.開爾文—普朗特表述(1851年):不可能制造一個熱發(fā)生器,它只吸收單一熱源的熱量,并將其全部轉化為功英語作文,而不留下任何其他變化。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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(1)這里強調(diào)的是“不留其他變化”,也就是說,熱機內(nèi)部、外界環(huán)境以及所有其他物體都沒有發(fā)生改變。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

開爾文-普朗特理論解釋說熱力學第二定律,熱量要轉化成功,必須把一部分熱量轉移給低溫物體(注意,這是一個自發(fā)的過程,熱量從高溫向低溫轉移),也就是說,必須有一個“補償過程”作為代價。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)有可能把熱量全部轉化為功,但必須“留下其他變化”。例如熱力學第二定律,在等溫過程中,熱量可以全部轉化為功,但此時熱機內(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),事實上,這樣的熱機實際上并不存在),而留下變化。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

總之,要正確理解熱力學第二定律,需要掌握以下幾點:Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1. 上述熱力學第二定律的兩個表述及其等價性;Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.卡諾循環(huán)與卡諾定理、卡諾效率、ηT≤ηC;Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3. 克勞修斯積分方程和不等式;Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

4.熵過程方程:dS≥dQ/Tr;Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

5、孤立系統(tǒng)熵增加原理:△Siso=∑△Si=Sg≥0;Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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)Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

7、能量折舊原則:dEx,iso≤0;Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

8.熵產(chǎn)生與機械能(火用)損失關系:I=To×Sg。Zm9物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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