劉立瑤

（渤海大學(xué)數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州121000）

我們都知道，永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，這是因?yàn)樗`背了能量守恒定律，盡管從古至今有很多科學(xué)家都在不斷研究新的方法進(jìn)行理論體系的構(gòu)建，但是物體始終不可能在不發(fā)生任何變化的情況下讓熱量從提問物體傳導(dǎo)到高溫物體，也不可能將單一熱源在吸收的熱量不發(fā)生表面其他變化的基礎(chǔ)上全部用來做功，一定會(huì)通過內(nèi)能或機(jī)械能等進(jìn)行其他能量的轉(zhuǎn)化，根據(jù)這一問題，我們來研究一下熱力學(xué)第二定律理論體系的構(gòu)建和含義。

1 熱力學(xué)第二定律概述

1.1 熱力學(xué)第二定律的含義

在自然界中，很多相互接觸的物體之間發(fā)生的作用效果都是不可逆的，而這種不可逆性反應(yīng)出了物體之間彼此有一種互相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，在熱力學(xué)第二定律中，最基本的條件就是該過程是不可逆的，這也是熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)，其次是所有物體之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化都是具有自發(fā)性的，無論是可逆還是不可逆，都是物體屬性的表現(xiàn)與能量的表達(dá)，在宏觀現(xiàn)象中，我們可以看到的所有熱力學(xué)轉(zhuǎn)化過程都可以用熱力學(xué)定律來解釋，其中，熱力學(xué)第二定律是指：自然界中所有的運(yùn)動(dòng)過程都不可能輕易恢復(fù)原狀，除非施加人為因素或外部相關(guān)條件的控制，在變化的過程中，過程終點(diǎn)與過程起點(diǎn)是有很大不同的，這種結(jié)果的差異會(huì)帶來不同的影響，在這里，我們用“熵”這個(gè)狀態(tài)函數(shù)來進(jìn)行差異化表達(dá)：

當(dāng)Sf=Si時(shí)，在熱力學(xué)中我們表述為熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)的可逆過程；當(dāng)Sf＞Si時(shí)表述為熱力學(xué)的不可逆運(yùn)動(dòng)過程，其中Sf是變化的熵，與Si之間是結(jié)果和起點(diǎn)的關(guān)系，體現(xiàn)了系統(tǒng)整體的差異性產(chǎn)生，并可以通過這一差值分析運(yùn)動(dòng)過程能量轉(zhuǎn)化的因素。在單純的熱量變化中，我們假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)是毫無關(guān)聯(lián)的，即同一系統(tǒng)不受到周圍系統(tǒng)的控制和影響，那么不可逆運(yùn)動(dòng)過程熵是呈不斷增加的趨勢(shì)的，且符合線性相關(guān)的特點(diǎn)，這也反映了熱量系統(tǒng)從小功率向大功率轉(zhuǎn)化的過程，在這一過程中熱量發(fā)生的是無規(guī)律無秩序的變化狀態(tài)；而相同條件下可逆反應(yīng)的熵是不變的，這也為永動(dòng)機(jī)提出了科學(xué)的否定和批判，就像水往低處流一樣，是不能通過自身的變化而改變這種規(guī)律的。

1.2 熱力學(xué)第二定律的研究意義

在自然條件下，高溫物體會(huì)通過不斷地?zé)醾鬟f將能量傳遞給低溫物體，從而實(shí)現(xiàn)溫度變化，這也是基于熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上形成的重要規(guī)律，在宏觀空間內(nèi)，大量的分子是以基本不變的方向進(jìn)行熱傳導(dǎo)的，盡管單獨(dú)每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)并不規(guī)律，但是卻體現(xiàn)了物理變化的方向性，其實(shí)無論物理變化還是化學(xué)反應(yīng)都是不可逆的，因?yàn)橐雽?shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)化需要加入外界力量，而這一力量的控制也需要產(chǎn)生相應(yīng)的能量的，如機(jī)械能、電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。熱力學(xué)第二定律理論體系的構(gòu)建，在人們的生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生了重要影響，首先否認(rèn)了永動(dòng)機(jī)理論的不科學(xué)性，又在熱量傳輸?shù)幕A(chǔ)上研發(fā)出大量對(duì)人們基本生活密切相關(guān)的器件和設(shè)施，如人們給癟胎的自行車打氣，是通過大氣壓強(qiáng)原理，將氣體從外界壓入，如果將自行車的氣門芯拔下，在打氣口出會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這便是通過氣體摩擦做功而形成的熱量，這一熱量是不可逆的。

2 熱力學(xué)第二定律理論體系的構(gòu)建

熱力學(xué)第二定律理論體系的構(gòu)建經(jīng)歷了數(shù)十年、大量的科學(xué)家通過不斷進(jìn)行實(shí)踐和調(diào)查總結(jié)提出，最早是在19世紀(jì)，由紐可門、巴本進(jìn)行的研究發(fā)明證實(shí)的，以此為基礎(chǔ)，瓦特進(jìn)行了蒸汽機(jī)的改良，并投入到生產(chǎn)和使用中，如運(yùn)輸領(lǐng)域、礦業(yè)開采、工廠運(yùn)作等領(lǐng)域，不僅提高了工作效率，也降低了成本，然而此時(shí)人們對(duì)熱力學(xué)第二定律還并沒有確切的認(rèn)識(shí)，理論認(rèn)識(shí)膚淺、實(shí)踐分析不到位等弊端暴露，在這一背景下，熱力學(xué)第二定律關(guān)于提高熱機(jī)工作效率的工作開始大量開展。

1824年，卡諾在其個(gè)人發(fā)表的“論火的動(dòng)力”一文中提出了“卡諾定理”，主要是為了提高熱機(jī)的熱效應(yīng)，通過熱效應(yīng)的體現(xiàn)降低熱機(jī)的能量散失，提升工作效率，然而在現(xiàn)在看來，卡諾定理并不正確，因?yàn)樗饕鶕?jù)傳統(tǒng)的“熱質(zhì)說”進(jìn)行分析的。直到1840年到1847年，焦耳等人扎扎實(shí)實(shí)建立起熱力學(xué)第一定律，并廣泛應(yīng)用于熱力學(xué)領(lǐng)域，在這一階段，“熱動(dòng)說”被人們普遍接受，在一年后，開爾文根據(jù)卡諾定理制作出了新的“熱力學(xué)溫標(biāo)”，通過特殊物質(zhì)的引入，在實(shí)際中克服了各種能量的轉(zhuǎn)化與散失，更為準(zhǔn)確地測(cè)定環(huán)境溫度。1850年，勞斯休斯通過“熱動(dòng)說”重新研究卡諾定理，根據(jù)熱量能夠在自然條件下由高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，得到了熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容，此后經(jīng)過多次修改，最終得出了我們目前教科書中的“開爾文表述”，這便是目前的熱力學(xué)第二定律理論體系，這一體系主要是針對(duì)能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行的研究和分析，物體的能量不會(huì)消失也不會(huì)憑空產(chǎn)生，而是可以通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再全部轉(zhuǎn)化為熱量，這是一個(gè)循環(huán)的過程，因此與這一觀點(diǎn)不符的熱力學(xué)過程都是不成立的，如滾動(dòng)的足球最終會(huì)停在地面上，是因?yàn)樵谧闱蜻\(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與地面進(jìn)行摩擦生熱，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

3 熱力學(xué)第二定律理論體系的應(yīng)用研究

熱力學(xué)第二定律的提出，解決了在物體相互作用中的能量轉(zhuǎn)化問題，不僅確定了永動(dòng)機(jī)在原理上的不可實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)也解決了人們?nèi)粘Ｉ钪械脑S多問題，如上文中提到的運(yùn)動(dòng)的足球會(huì)停在地面上、自由下落的籃球每次反彈的高度會(huì)越來越低直到不再反彈、人們?cè)谂懿降倪^程中會(huì)逐漸地感到累，等等這都是能量轉(zhuǎn)化的結(jié)果，在不受任何力的作用下，足球不可能越動(dòng)越快，籃球不可能反彈距離越來越高，人們也不可能越跑越快，都是熱力學(xué)第二定律的實(shí)踐應(yīng)用。關(guān)于這一理論體系的應(yīng)用研究，應(yīng)該注意以下問題：

3.1 熱力學(xué)第二定律只適用于宏觀過程，并不適用與微觀粒子，如分子間的作用力；

3.2 熱力學(xué)第二定律主要適用于無生命特征的物體，如桌子、籃球、書等，如果對(duì)人體等動(dòng)物進(jìn)行分析，則需要研究多種特征以及內(nèi)部的其他反應(yīng)，很難按照常規(guī)分析方法進(jìn)行研究，也就是說，熱力學(xué)第二定律適用“絕熱”和“孤立”兩個(gè)系統(tǒng)特征，在熱力學(xué)第二定律體系構(gòu)建的過程中要著重考慮這一問題；

3.3 盡管在熱力學(xué)發(fā)展的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，熱力學(xué)第二定律這一理論體系都顯示出了很強(qiáng)的優(yōu)越性和適用價(jià)值，但是這一理論體系自身還是有著一定的局限性，并不能將時(shí)間和空間無限擴(kuò)展，人們?cè)趯?duì)物體的能量進(jìn)行研究時(shí)也不要野心太重，企圖將能量應(yīng)用到全宇宙中，將能量在全宇宙中進(jìn)行自由轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)宇宙空間的熱平衡狀態(tài)，這顯然是不切實(shí)際的。

對(duì)于熱力學(xué)第二定律，盡管在高中的物理課本中就有過一定的接觸，但是我們要將眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)，從自然和生活的角度去看待這一新的理論體系，希望通過熱力學(xué)的相關(guān)研究，不斷構(gòu)建各個(gè)領(lǐng)域獲得價(jià)值實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，讓這一能量轉(zhuǎn)化定律廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

［1］趙凱華,羅蔚菌,編.新概念物理教程：熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1998.

［2］錢偉長(zhǎng).微分方程的理論及其解法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1992.