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热力学总结及学习感想热力学的建立及感想热力学第二定律是在能量守恒定律建立后不久建立起来的它的建立与19世纪20年代卡诺对于热机的研究有着密切的关系。卡诺在探索提高热机效率的研究工作中抓住了热机的本质撇开了各种次要因素抽象出一个仅仅工作于一个高温热源和一个低温热源（冷源）间的理想热机（卡诺热机）他把这样一个热机比拟为水轮机：“我们可以足够确切地把热的动力比之于瀑布……瀑布的动力取决于液体的高度和液体的量；而热的动力同样取决于所用热质的量以及热质的‘下落高度’即交换热质的两物体之间的温度差。”卡诺所处的时代正是热质说占统治地位的时代卡诺的这段话也是热质说的反映。现在看起来当然是不对的但是他得到的结论却是正确的：“单独提供热不足以给出推动力还必须要冷。没有冷热将是无用的。”他已经接触到了热力学第二定律的边缘。英国物理学家开尔文（原名汤姆逊）在研究卡诺和焦耳的工作时发现了某种不和谐：按照能量守恒定律热和功应该是等价的可是按照卡诺的理论热和功并不是完全相同的因为功可以完全变成热而不需要任何条件而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散。他在1849年的一篇论文中说：“热的理论需要进行认真改革必须寻找新的实验事实。”同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题他敏锐地看到不和谐存在于卡诺理论的内部。他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的而热的量（即热质）不发生变化则是不对的。克劳修斯在1850年发表的论文中提出在热的理论中除了能量守恒定律以外还必须补充另外一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化不可能使热从低温转移到高温。”这条定律后来被称作热力学第二定律。克劳修斯的表述在现代教科书中一般表述为：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。第二年（1851年）开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述方式开尔文的表述在现代教科书中一般表述为：不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。开尔文的表述更直接指出了第二类永动机的不可能性。所谓第二类永动机是指某些人提出的例如制造一种从海水吸取热量利用这些热量做功的机器。这种想法并不违背能量守恒定律因为它消耗海水的内能。大海是如此广阔整个海水的温度只要降低一点点释放出的热量就是天文数字对于人类来说海水是取之不尽、用之不竭的能量源泉因此这类设想中的机器被称为第二类永动机。而从海水吸收热量做功就是从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响开尔文的说法指出了这是不可能实现的也就是第二类永动机是不可能实现的。因此热力学第二定律的开尔文表述也可简述为：第二类永动机是不可能造成的。克劳修斯和开尔文关于热力学第二定律的表述是完全等价的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保持温度不变而理想气体又不考虑分子势能因此气体的内能保持不变从热源吸收的热量就全部转化成了功但是这过程中气体的体积膨胀了因此不符合“不产生其他影响”的条件。下面我们从反面来说明这两种说法的确是等价的：①如果我们否定克劳修斯的说法认为热量可以自发地从低温物体b传向高温物体a见图4－1（a）的示意图设这个热量为q我们再设想有一个卡诺热机从高温热源a吸取热量q一部分转化为有用功w另一部分q′传给了低温热源b这样的整个过程中高温热源a没有发生变化相当于只从低温热源b吸收了（q－q′）的热量而全部转化为有用功而不产生其他影响从而开尔文的说法也就被否定了。②反过来如果我们否定了开尔文的说法认为可以从单一热源a吸取热量全部转化为有用功而不产生其他影响见图4－1（b）的示意图设这部分热量为q1做的有用功为w1（q1－w1）我们再设想这部分有用功是带动一个理想的致冷机工作它从另一个低温热源b处吸