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热力学第二定律的演变历程及其在生活中的应用

张俊地信一班1009010125

摘要：热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只是由热处转到冷处（自然

状态下）。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理化学过程具有不可逆性

的经验总结。

关键词：热力学第二定律，演变历程，生活应用

引言：热力学第二定律是人们在生活实践，生产实践和科学实验的经验总结，他们既不涉及

物质的微观结构，也不能用数学家易推倒和证明，但它的正确性已被无数次的实验结果所证

实。而且，从热力学严格的推导出的结论都是非常精确和可靠的。有关该定律额发现和演变

历程是本文讨论的重点。热力学第二定律是有关热和功等能量形式相互转化的方向和限度的

规律，进而推广到有关物质变化过程的方向与限度的普遍规律。

1.热力学第二定律的建立

19世纪初，巴本、纽可门等发明的蒸汽机经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。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。

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。他们都是指明了自然界宏观过程

的方向性，或不可逆性。克劳修斯的说法是从热传递方向上说的，即热量只能自发地从

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高温物体传向低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。这里“不引

起其他变化”是很重要的。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界

必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热，即机械能完全转

化为内能可以的，在水平地面上运动的木块由于摩擦生热而最终停不来就是一个例子。但

反过来，从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的。所谓“单

一热源”，是指温度均匀并且保持恒定的热源，如果热源的温度不是均匀的，则可以从温度

较高处吸收热量，又向温度较低处放出一部分，这就等于工作在两个热源之间了。所谓“不

产生其他影响”，是指除了从单一热源吸热，这些热量全部用来做功以外，其他都没有变

化。如果没有“不产生其他影响”这个限制，从单一热源吸热而全部转化为功是可以做到

的，例如理想气体在等温膨胀过程中，气体从热源吸热而膨胀做功，由于这过程中理想气体