Question

等温膨胀时，系统吸收的热量全部用来作功，这和热力学第二定律有没有矛盾？为什么？

Answer 1

首先，二者不矛盾。说明如下：
1、定律：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。
2、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（即不能回到初始状态。其实，这样无限制膨胀的热机必然无限大，且其比体积也趋向无穷大，故实际上这样的热机是不存在的），是留下了变化的。
3、举例——封闭体系理想气体的等温膨胀
对于封闭体系理想气体的等温膨胀，有
Q=△U+W
由于过程是等温的，故 △U=0
因而 Q=W
即在此条件下，热（系统吸热）全部转化为功，但此时，系统（气体）不能恢复原有状态了，即p、v发生了变化（不能复原），是有“变化”的，因而是不违背热力学第二定律。
实际上，工质熵变为 △S=Q/T，环境熵变为 △So=-Q/To
由于系统从环境吸热，故
To≥T
现将环境与系统组成一个孤立系，则孤立系的总熵变为
△Siso=△S+△So=Q(1/T-1/To)=Sg≥0
显然是不违背热力学第二定律的。
但从这也是可以看出，只要系统等温膨胀，就可以实现热最大程度地转化为功，且当系统温度与环境温度相等时，整个系统可逆（无功损失），是最理想的。