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1、大庆师范学院物理与电气信息工程系课程论文（设计）热力学第二定律的研究杜识博（大庆师范学院物理与电气信息工程学院，2008级物理教育班黑龙江大庆163712）摘要：热力学第二定律是描述热量的传递方向的：分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能。此定律的一种常用的表达方式是，每一个自发的物理或化学过程总是向著熵（entropy）增高的方向发展。熵是一种不能转化为功的热能。熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度。高、低温度各自集中时，熵值很低；温度均匀扩散时，熵值增高。物体
2、有秩序时，熵值低；物体无序时，熵值便增高。现在整个宇宙正在由有序趋于无序，由有规则趋于无规则，宇宙间熵的总量在增加。为什么还要证明这样显而易见的结论呢?因为熵增加原理是根据克劳修斯不等式及状态函数关键词：热力学第二定律能量转化和守恒定律熵的应用在统计学中的应用凝聚态物质的变温过程作者简介：杜识博（1988--），男，黑龙江省黑河尔市人，大庆师范学院物电学院学生，某人这样跟我说过:所谓的"能量转化有方向性"或者"熵增加原理",意思都是说所有能量都在向内能转化,内能无法完全转化成其他形式的能量.实际上所有内能都在源
3、源不断地通过黑体辐射转化成辐射能(或者电磁能),而电磁能的载体电磁波在我们生活中早已被普遍应用(如微波炉卫星手机雷达光纤几百年前热力学第二定律刚被提出时,麦克斯韦对它疑虑重重,这并非无稽之谈,有这样一个实验可以证明：在盛有液体的容器中放入一悬浮微粒,做类似布朗运动实验的布置,只不过悬浮微粒内要加入金属成分。再在容器的上下方向固定永磁体。这样,由于含金属微粒的布朗运动,引进微粒内部电荷移动的变化,会激发电磁波。而电磁波能量的唯一来源只能是水分子热运动的内能。这个实验我没有做过,不过它的最终结果只有两种可能:一、观
4、测不到电磁波,这等于否定麦克斯韦的电磁理论；二、观测到了,这样的结果皆大欢喜,使海水降温1度或获得能量可以成为现实了,虽然它否定了热力学第二定律,可是任何人都愿意接受。不知道大家有没有注意到黑体辐射的能量转化方向,是内能自发向电磁能转化,这与热力学第二定律的说法：“一切能量有转化为内能的趋势”相反。从这个方面可以看出,上面的实验并非是电磁场理论的问题,而是热力学第二定律的问题。产生热力学第二定律这样的误区的原因可能是这样:几百年前人类科技水平不高。人们发现能量一旦转化为热之后就很难再利用。还有一个影响人们心理因
5、素的背景：人们居住的地方的气候几乎不变,逃逸掉的能量对气候几乎没有影响。可是随着能源消耗的飞速增加,已经导致了全球气候变大庆师范学院物理与电气信息工程系课程论文（设计）暖。如果地球处于离太阳很远的地方,那么我们所住的不会是恒温20度左右。我们的星球表面会象冥王星表面一样冷。因为有太阳稳定地向地球输送能量,地球上某些地方才能够保持300K的能量收支平衡。1热力学第二定律建立的历史过程1.1历史过程的阶段19世纪初瓦特,卡诺的卡诺定理，克劳修斯的热动说。1.1.119世纪瓦特19世纪初，巴本、纽可门等发明的蒸汽机经
6、过许多人特别是瓦特的重大改进，已广泛应用于工厂、矿山、交通运输，但当时人们对蒸汽机的理论研究还是非常缺乏的。热力学第二定律就是在研究如何提高热机效率问题的推动下，逐步被发现的，并用于解决与热现象有关的过程进行方向的问题。1.1.2卡诺的卡诺定理1824年，法国陆军工程师卡诺在他发表的论文“论火的动力”中提出了著名的“卡诺定理”，找到了提高热机效率的根本途径。但卡诺在当时是采用“热质说”的错误观点来研究问题的。从1840年到1847年间，在迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的努力下，热力学第一定律以及更普遍的能量守恒定律建
7、立起来了。“热动说”的正确观点也普遍为人们所接受。1848年，开尔文爵士(威廉·汤姆生)根据卡诺定理，建立了热力学温标(绝对温标)。它完全不依赖于任何特殊物质的物理特性，从理论上解决了各种经验温标不相一致的缺点。这些为热力学第二定律的建立准备了条件。1.1.3克劳修斯的热动说1850年，克劳修斯从“热动说”出发重新审查了卡诺的工作，考虑到热传导总是自发地将热量从高温物体传给低温物体这一事实，得出了热力学第二定律的初次表述。后来历经多次简练和修改，逐渐演变为现行物理教科书中公认的“克劳修斯表述”。与此同时，开尔文
8、也独立地从卡诺的工作中得出了热力学第二定律的另一种表述，后来演变为更精炼的现行物理教科书中公认的“开尔文表述”。上述对热力学第二定律的两种表述是等价的，由一种表述的正确性完全可以推导出另一种表述的正确性。1.2热力学第二定律的实质1.2.1可逆和不可逆过程一个热力学系统，从某一状态出发，经过某一过程达到另一状态。若存在另一过大庆师范学院物理与电气信息工程系课程论文（设计）程，能使系统与
