Question

热力学第二定律怎样理解?

Answer 1

第一,热力学第二定律的表述（说法）虽然繁多,但都反映了客观事物的一个共同本质,即自然界的一切自发过程都有“方向性”,并且一切自发过程都是不可逆的.
第二,热力过程的方向性,是可以用“熵”来衡量的,也即孤立系的一切实际过程,其总熵是增加的,理想条件下（即可逆）,总熵不变.
现以最常见的热力学二种说法进行理解.
1、克劳修斯说法（1850年）：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体.
解释：
（1）这里需要强调的是“自发地、不付代价地”.我们通过热泵装置是可以实现“将热从低温物体传向高温物体的”,但这里是付出代价的,即以驱动热泵消耗功为代价,是“人为”的,是“强制”的,不是“自发”的.所以,非自发过程,如热从低温物体传向高温物体,必须同时要有一个自发过程为代价（这里是机械能转化为热能）为补偿,这个过程叫“补偿过程”.
（2）非自发过程（如热从低温物体传向高温物体）能否进行,还要看花的“代价”是否够,就是总系统（孤立系）的熵必须是增加的,或可逆下总熵不变.也就是说,如果投入的“代价”不够的话,非自发过程是不能进行的,或是进行得不够彻底（不能达到预计的状态）.孤立系总熵变不小于零,非自发过程才有可能进行.
2、开尔文－普朗特说法（1851年）：不可能制造出从单一热源吸热,使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发电机.
解释：
（1）这里强调的是“不留下其他任何变化”,是指对热机内部、外界环境及其他所有（一切）物体都没有任何变化.
开尔文－普朗特说法说明了热转化为功,必须要将一部分热量转给低温物体（注意,这可是一个自发过程,高温向低温传热哦）,也即必须要有一个“补偿过程”为代价.
（2）热全部转化为功,是可以的,但必须要“留下其他变化”.如等温过程中,热可以全部转变成功,但这时热机内部工质的“状态”变了（即工质不能回到初始状态.其实,这样的热机实际上是不存在的）,是留下了变化的.
总之,要正确理解热力学第二定律,以下几点是需要把握的：
1、上述热力学第二定律的两种表述及其等效性；
2、卡诺循环与卡诺定理、卡诺效率,且 ηT≤ ηC；
3、克劳修斯积分等式和不等式；
4、熵的过程方程式：dS≥dQ/Tr；
5、孤立系统熵增原理：△Siso=∑△Si=Sg≥0；
6、闭口系（控制质量）熵方程：dS=dSg+dQ/Tr；（开口系也要掌握好）
7、能量贬值原理：dEx,iso≤0；
8、熵产与机械能（火用）的损失关系：I=To×Sg .