浅析热力学第二定律的应用

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1热力学第二定律概述1.1热力学第二定律内涵

(1)德国物理学家克劳修斯,在研究和证

明卡诺定理时,根据热传导这个不可逆过程,对规律性的内涵提出了一种说法,这个后来被称为热力学第二定律的克劳修斯说法:热可以自发地由高温物体传到低温物体,但不可能由低温物体传到高温物体而不引起其它变化。值得注意的是,不要简单地把克劳修斯说法理解成热不能由低温物体传到高温物体,应该说,不是热不能由低温物体传到高温物体,而是在不允许引起其它变化和条件下,热不能由低温物体传到高温物体,如若允许引起其它变化和话,热是可以由低温物体传到高温物体的。(2)开尔文是从机械能和内能之间相互转化时具有方向性的角度来表述的。通过一定装置,机械能可以全部转化成内能。但是,内能却不能自发地完全转化成机械能。要实现内能完全转化成机械能,必须借助其他物理变化,机械能和内能之间的转化是具有方向性的。此种表述也包含两层含义,即:若从单一热源吸收热量,并把它完全用来做功,同时又不允许产生其他变化,则这种热力学过程是不可能发生的;若允许产生其他变化,则从单一热源吸收热量,并把它全部用来做功的这种热力学过程是有可能发生的。1.2数学表述热力学第二定律指出了其不可逆过程的单向性,从热力学第二定律的这些表述出发,能够找到一个表征不可逆过程单向性的物理量,利用它能够把热力学第二定律用更为普遍的形式表示出来。克劳修斯定义了一个态函数,他认为自发过程的不可逆性不决定于过程进行的过程或路径,而是决定于系统的初始状态和最终状态,称之为“嫡”,用S 表示从一个状态A 到一个状态B 。S 的变化定义为

:,对于无限小

过程。这样热力学第二定律表示为

:在孤立系统中,任何变化不可能导致嫡的问题减小,

即。如

果变化过程是可逆的则,如果变化过程是可逆的则,总之嫡是有增无减。

2热力学第二定律重要意义2.1通过嫡增原理,理解能源危机按热力学第二定律的数学表达式,对于与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系统,必有,这就是嫡增原理。在孤立系统或绝热系统中进行的一切不可逆过程向墒增加的方向演化,直到嫡函数达到最大为止。在孤立或绝热条件下,系统自发地由非平衡态趋向平衡态的过程,正是一种嫡增

的过程。平衡态对应最大嫡,一定的外部条件确立系统的平衡态,最大嫡也是指在一定外部条件下的最大。当人们燃烧煤、石油、原子核,能量的问题并无变化,从热力学第一

定律来看这一切,能量不会消失,也就不可能

有能源危机。但是如果从热力学第二定律

来看这一切,就会使我们忧心忡忡。燃烧资

源,其结果是世界的嫡无情地增加,它所贮存

的能量的“质”随之衰退,并向空间弥散,于

是我们把自己带进了能源危机之中。我们

要做的不是保住能的数量,而是要珍惜它的

“质”,应该合理使用能量,降低嫡的产生,提

高能量的利用效率,并不断开发新能源。

2.2热力学第二定律的统计意义

不可逆性是实际自然过程的根本特征,

热力学第二定律正是这种自然过程不可逆

性的概括,它指出一切与热现象有关的宏观

过程都是不可逆的。这是概率在起作用,通

过对气体自由膨胀不可逆过程的讨论说明

热力学第二定律的统计意义是:一个不受外

界影响的孤立系统,其内部发生的过程,总

是由概率小的状态向概率大的状态进行,由

包含微观态数目少的宏观态向包含微观态

数目多的宏观态进行。据嫡增加原理,孤立

系统的嫡在不可逆过程中总是向着嫡增加

的方向进行。由此看来嫡S 与系统的微观态

数目W 可能会有联系。这种联系首先被玻

耳兹曼发现,他得出系统的嫡S 与微观状态

数W 的对数成正比,即S =Kl n W 。这就是玻

尔兹曼关系式。由于系统不同的宏观态对

应系统不同的微观态数W ,而系统的各种可

能微观态出现的概率是相同的,所以微观态

数W 是宏观概率的度量。玻尔兹曼关系式

可以作为热力学与统计力学之间的一个桥

梁。嫡是系统可能拥有的微观态数目的量

度,系统微观数目也越多,表明系统内部运

动越丰富多样,越混乱无序,嫡越大;反之,

系统微观态越少,系统内部运动越单一简

单,越有序,嫡越小。宏观态拥有大量可能

的微观态,那是不能确切知道的,我们只能

说有多大可能,每种可能的微观态出现的概

率有多大。显然,系统微观态越多,可能情

况就越多,不确定性也就越大。因此,我们

可以得出:嫡是是事物不确定性的量度。

3热力学第二定律的应用

3.1理解时间的流逝

热力学第二定律是自然界所有单方向

变化过程的共同规律,而时间的变化就是一

个单向的不可逆的过程,因此可以这样假

设:时间的运动方向,就是熵增加的方向。由

此,热力学第二定律就给出了一个时间箭

头,通过进一步研究表明,能量守恒与时间的

均匀性有关,即热力学第一定律告诉我们,时

间是均匀流逝的。这两条定律合在一起就是:时间在向着特定的方向均匀地流逝着。3.2在信息嫡中的应用人类在长期的电讯通信实践中,不断在

力图提高通信的有效性和可靠性。提高有效性就是尽可能用最窄的频带,尽可能快和尽可能降低能耗,即提高通信的经济性;提高可靠性,就是要力图消除或减少噪音,以提高通信的质量。随着电子通信发展到一定阶段后,人们在实践中发现,在一定的条件下,要同时实现上述这两个要求,会遇到不可克服的困难:要减少噪音的干扰,信息传输速率就得降低;反之,提高了传输速率,就不能有效地避免噪扰,在一定的具体的客观条件下,想要同时提高电讯通信的效率和可靠性的企图总是失败的。于是有人想到,在限定的条件下同时提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一种理论上的界限。1948年,美国贝尔电讯实验所的工程师申农提出了了一个数学模型,对于信息的产生和传输这些概念从量的方面给以定义,提出了信道和信息量等概念,利用嫡的形成导入了信道容量这一新的重要概念,并且确定了信号频带宽度、超扰值和信道传输率三者之间的一般关系。从而,我们可以用信息嫡来描述信道上传输信息的容量。这就是热力学第二定律在信息传输技术中的一些应用。3.3形成宇宙的耗散结构理论著名比利时物理学家普利高津认为热力学第二定律是自然界的一条基本规律。他在不违背热力学第二定律的条件下,找到了开放系统由无序状态变为新的有序状态的途径。他认为,开放系统的熵可以定义为dS=dSi +dSe ,其中dSi 为熵产生,由系统内部不可逆过程产生;dS e 为熵流,由系统与外界交换能量或物质所引起。熵产生dS i 永远不可能为负值,而熵流dS e 则可正可负还可以是零。由于外界有时候有负熵流入,系统的总熵可以保持不变乃至减小,系统保持稳定或者达到有序形成“耗散结构”。由此,普利高津得出我们的宇宙是一个无限发展的开放系统,自然界不会变得越来越无序,而会变得越来越丰富多彩,会形成各种新的有序结构,宇宙不可能处于“热寂”状态。从目前人类对天文观测的事实发现,宇宙不是向着“热寂”发展,从而证实了普利高津的热力学第二定律的应用正确性。4结语热力学第二定律,不仅决定了能量转移的方向问题,具有现实的统计意义,更是对信息技术,生命科学以及人文科学的发展都起到了非常重要的作用。可以说,热力学第二定律对新世纪的科学技术乃至整个社会的发展都产生重要影响。浅析热力学第二定律的应用

康立志(辽宁省阜新市卫生学校辽宁阜新123000)

摘要:热力学第二定律作为判定与热现象有关的物理过程进行方向的定律,是中专物理热学中的一个重要部分。本文分析了热力学第二定律的涵义以及意义,并阐述了它在当今社会的一些应用以及重要性。

关键词:热力学第二定律物理过程信息社会中图分类号:G 420文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2008)05(a )-0150-01

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