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热力学第二定律理论体系的构建与应用

时间:2015-06-08 来源:未知 作者:傻傻地鱼 本文字数:2691字
摘要

  我们都知道,永动机是不可能制成的,这是因为它违背了能量守恒定律,尽管从古至今有很多科学家都在不断研究新的方法进行理论体系的构建,但是物体始终不可能在不发生任何变化的情况下让热量从提问物体传导到高温物体,也不可能将单一热源在吸收的热量不发生表面其他变化的基础上全部用来做功,一定会通过内能或机械能等进行其他能量的转化,根据这一问题,我们来研究一下热力学第二定律理论体系的构建和含义。

  1热力学第二定律概述

  1.1 热力学第二定律的含义

  在自然界中,很多相互接触的物体之间发生的作用效果都是不可逆的, 而这种不可逆性反应出了物体之间彼此有一种互相关联的性质,在热力学第二定律中,最基本的条件就是该过程是不可逆的,这也是热力学第二定律的基础,其次是所有物体之间的联系与转化都是具有自发性的,无论是可逆还是不可逆,都是物体属性的表现与能量的表达,在宏观现象中,我们可以看到的所有热力学转化过程都可以用热力学定律来解释,其中,热力学第二定律是指:自然界中所有的运动过程都不可能轻易恢复原状,除非施加人为因素或外部相关条件的控制,在变化的过程中,过程终点与过程起点是有很大不同的,这种结果的差异会带来不同的影响,在这里,我们用“熵”这个状态函数来进行差异化表达:当 Sf=Si 时, 在热力学中我们表述为热力学运动的可逆过程;当Sf>Si 时表述为热力学的不可逆运动过程, 其中 Sf 是变化的熵, 与 Si之间是结果和起点的关系,体现了系统整体的差异性产生,并可以通过这一差值分析运动过程能量转化的因素。 在单纯的热量变化中,我们假设两个系统是毫无关联的,即同一系统不受到周围系统的控制和影响,那么不可逆运动过程熵是呈不断增加的趋势的,且符合线性相关的特点,这也反映了热量系统从小功率向大功率转化的过程,在这一过程中热量发生的是无规律无秩序的变化状态;而相同条件下可逆反应的熵是不变的,这也为永动机提出了科学的否定和批判,就像水往低处流一样,是不能通过自身的变化而改变这种规律的。

  1.2 热力学第二定律的研究意义

  在自然条件下,高温物体会通过不断地热传递将能量传递给低温物体,从而实现温度变化,这也是基于热力学第二定律的基础上形成的重要规律,在宏观空间内,大量的分子是以基本不变的方向进行热传导的,尽管单独每个分子的运动并不规律,但是却体现了物理变化的方向性,其实无论物理变化还是化学反应都是不可逆的,因为要想实现方向的转化需要加入外界力量,而这一力量的控制也需要产生相应的能量的,如机械能、电能、风能、太阳能等。热力学第二定律理论体系的构建,在人们的生产和生活中产生了重要影响,首先否认了永动机理论的不科学性,又在热量传输的基础上研发出大量对人们基本生活密切相关的器件和设施,如人们给瘪胎的自行车打气,是通过大气压强原理,将气体从外界压入,如果将自行车的气门芯拔下,在打气口出会产生一定的热量,这便是通过气体摩擦做功而形成的热量,这一热量是不可逆的。

  2热力学第二定律理论体系的构建

  热力学第二定律理论体系的构建经历了数十年、大量的科学家通过不断进行实践和调查总结提出,最早是在 19 世纪,由纽可门、巴本进行的研究发明证实的,以此为基础,瓦特进行了蒸汽机的改良,并投入到生产和使用中,如运输领域、矿业开采、工厂运作等领域,不仅提高了工作效率,也降低了成本,然而此时人们对热力学第二定律还并没有确切的认识,理论认识肤浅、实践分析不到位等弊端暴露,在这一背景下, 热力学第二定律关于提高热机工作效率的工作开始大量开展。

  1824 年,卡诺在其个人发表的“论火的动力”一文中提出了 “卡诺定理”,主要是为了提高热机的热效应,通过热效应的体现降低热机的能量散失,提升工作效率,然而在现在看来,卡诺定理并不正确,因为他主要根据传统的“热质说”进行分析的。 直到 1840 年到 1847 年,焦耳等人扎扎实实建立起热力学第一定律, 并广泛应用于热力学领域,在这一阶段,“热动说”被人们普遍接受,在一年后,开尔文根据卡诺定理制作出了新的“热力学温标”,通过特殊物质的引入,在实际中克服了各种能量的转化与散失,更为准确地测定环境温度。 1850 年,劳斯休斯通过“热动说”重新研究卡诺定理,根据热量能够在自然条件下由高温物体向低温物体转化的特点, 得到了热力学第二定律的基本内容,此后经过多次修改,最终得出了我们目前教科书中的“开尔文表述”,这便是目前的热力学第二定律理论体系,这一体系主要是针对能量转化进行的研究和分析, 物体的能量不会消失也不会凭空产生,而是可以通过机械能转化为内能,再全部转化为热量,这是一个循环的过程,因此与这一观点不符的热力学过程都是不成立的,如滚动的足球最终会停在地面上,是因为在足球运动过程中会与地面进行摩擦生热,将机械能转化为内能。

  3热力学第二定律理论体系的应用研究

  热力学第二定律的提出,解决了在物体相互作用中的能量转化问题,不仅确定了永动机在原理上的不可实现性,同时也解决了人们日常生活中的许多问题, 如上文中提到的运动的足球会停在地面上、自由下落的篮球每次反弹的高度会越来越低直到不再反弹、人们在跑步的过程中会逐渐地感到累,等等这都是能量转化的结果,在不受任何力的作用下,足球不可能越动越快,篮球不可能反弹距离越来越高,人们也不可能越跑越快,都是热力学第二定律的实践应用。 关于这一理论体系的应用研究,应该注意以下问题:

  3.1 热力学第二定律只适用于宏观过程,并不适用与微观粒子 ,如分子间的作用力;3.2 热力学第二定律主要适用于无生命特征的物体 ,如桌子 、篮球 、书等,如果对人体等动物进行分析,则需要研究多种特征以及内部的其他反应,很难按照常规分析方法进行研究,也就是说,热力学第二定律适用“绝热”和“孤立”两个系统特征,在热力学第二定律体系构建的过程中要着重考虑这一问题;3.3 尽管在热力学发展的很长一段时间内, 热力学第二定律这一理论体系都显示出了很强的优越性和适用价值,但是这一理论体系自身还是有着一定的局限性,并不能将时间和空间无限扩展,人们在对物体的能量进行研究时也不要野心太重, 企图将能量应用到全宇宙中,将能量在全宇宙中进行自由转化, 实现整个宇宙空间的热平衡状态,这显然是不切实际的。

  对于热力学第二定律,尽管在高中的物理课本中就有过一定的接触,但是我们要将眼光放长远 ,从自然和生活的角度去看待这一新的理论体系,希望通过热力学的相关研究,不断构建各个领域获得价值实现的理论基础,让这一能量转化定律广泛应用于人们日常生活的方方面面。

  参考文献:
  [1]赵凯华,罗蔚菌,编。新概念物理教程:热学[M].北京:高等教育出版社,1998.
  [2]钱伟长.微分方程的理论及其解法[M].北京:国防工业出版社,1992.

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