熱力學(xué)第二定律的常見表述有:
1. 克氏表述:不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響。
2. 開氏表述:不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。
此外,還可以表述為“第二類永動機不可能制成”和“熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體”。
這些表述都是熱力學(xué)第二定律的不同推論,也是其重要的數(shù)學(xué)表述方式。
Q=W+ΔU
其中,Q表示熱量的吸收量,W表示機械或熱能的對外做功或釋放量,ΔU表示熱力學(xué)能(internal energy)的變化量。這個公式表明,在一個封閉系統(tǒng)中,熱量總是從高溫部分傳遞給低溫部分(即熱傳導(dǎo)),或者從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體(即熱交換)。這個過程總是伴隨著能量的轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換,并且這種轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換無法被阻止或逆轉(zhuǎn)。
假設(shè)有一個封閉系統(tǒng),其中有一個熱源和一個冷源。系統(tǒng)中的某些物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中釋放出熱量,這些熱量被一個熱傳導(dǎo)過程傳遞給系統(tǒng)中的其他物質(zhì)。由于系統(tǒng)是封閉的,這些熱量無法再回到熱源中。最終,系統(tǒng)中的一部分熱量被釋放到環(huán)境中,而另一部分則被吸收并儲存在某種形式的能量中(例如機械能、電能等)。
在這個例子中,我們可以使用克勞修斯表述來解釋為什么熱量總是從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。由于系統(tǒng)是封閉的,熱量無法再回到熱源中,因此它只能通過熱傳導(dǎo)過程傳遞給系統(tǒng)中的其他物質(zhì)。這個過程會導(dǎo)致系統(tǒng)中的溫度分布不均,最終導(dǎo)致一部分物質(zhì)溫度升高(即高溫部分),另一部分物質(zhì)溫度降低(即低溫部分)。這個過程符合克勞修斯表述的原理,即熱量總是從高溫部分傳遞給低溫部分。
需要注意的是,這只是克勞修斯表述的一個簡單應(yīng)用示例,實際上它還可以應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)和現(xiàn)象中。