热力学第二定律的几种表述方式

热力学第二定律是依据实际经验总结归纳出来的。历史上，热力学第二定律有许多表述方式，下面介绍几种主要说法。

一、克劳修斯说法

“不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不产生其他变化。”

热力学第二定律的这一说法阐明了热量传递的方向性，它为人们的日常生活经验和无数事实所证实。当两个温度不同的物体接触时，热量总是从高温物体传向低温物体，从而使两物体的温度趋于均匀；人们从来没有见到热量自发地从低温物体传向高温物体，从而使低温物体温度更低，高温物体温度更高。但是，不能把热力学第二定律这一说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体。”事实上，制冷装置就可以把热量从冷库内零下十几度的空气传给20～30℃的冷却水，但必须在制冷装置中消耗功，并将这个功转换为热量也传给冷却水。这里的功变热就是“其他变化”。关于热量传递的方向性，应该这样理解：“热量能够自发地从高温物体传向低温物体，也能够在有其他变化（比如功变热）的条件下从低温物体传向高温物体。”

将热力学第二定律这一说法应用到制冷循环可以看出，经过一个循环，工质恢复了原状，把热量从低温物体传向高温物体，这就必然在外界产生其他变化（比如消耗了功，并将功转换为热量传给了高温物体）。这一结论是从热力学第二定律直接得出的，对于任意工质和由任意过程组成的制冷循环都适用。

二、开尔文说法

“不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功，而不产生其他变化。”(www.xing528.com)

热力学第二定律的这一说法阐明了热能和机械能相互转换时的方向性，它也为人们的日常生活经验和无数事实所证实。机械能通过摩擦自发地全部转换为热能，而人们从来没有见到热能能够自发地全部转换为机械能。例如，行驶中的汽车刹车停止时，汽车的动能通过摩擦全部转换成热能使刹车装置、地面和轮胎温度升高；但人们从未见过静止的汽车由于地面和轮胎温度下降而使汽车运动起来。但是，不能把热力学第二定律这一说法理解为：“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功。”理想气体的定温吸热过程，就能够把从单一热源吸取的热量全部转换为对外界作功，不过在这一过程中产生了“其他变化”，这就是理想气体的体积膨胀了。

对于热机循环，因为完成一个循环时工质本身恢复原状，没有发生什么变化，所以不可能把从单一的高温热源中吸取的热量全部用来对外界作功，而必须将其中的一部分传给另一个低温热源。因此，工质在热机循环中要实现将热能转换为机械能，至少要有两个热源，热效率不可能达到100％。这就是在循环中热变功的条件和限度。这个结论是从热力学第二定律直接得出的，对于任意工质和由任意过程组成的热机循环都适用。

上述结论为热机制造和使用中的正反两方面的经验所证实。从热机制造和使用的成功经验来看，所有热机的热效率都低于100％。从反面来看，假定单一热源的热机能够造成，那么就可以利用周围环境作为单一热源，从那里不断吸取热量而作功，而周围环境的热力学能实际上可以认为取之不尽，所以这种单一热源的热机又称为第二类永动机。历史上有人企图制造第二类永动机，虽然这并不违反热力学第一定律，但都失败了。这是因为它从根本上违反了热力学第二定律。因此，热力学第二定律也可以表述为：“第二类永动机是造不成的。”

三、热过程的统一性

乍看起来，热力学第二定律的这两种说法针对不同的现象，没有什么联系。但是它们反映的都是热过程的方向性规律，实质上应该是统一的、等效的。下面采用反证法证明两种说法的等效性。违反了开尔文说法，就必然导致违反克劳修斯说法。设某系统从某给定温度的单一热源吸收热量，且使之完全变为有用的功而不产生其他变化，则这份功量可以通过摩擦变为热量为另一较高温度的热源所吸收。这样，总的效果就是在没有产生其他影响的条件下，把热量从低温物体传到高温物体。这就违反了克劳修斯说法。同样，违反了克劳修斯说法也必然违反开尔文说法。这点留给读者自己去证明。