大学物理教程：热力学第二定律解析

1.热力学第二定律的两种表述

在19世纪初期，由于热机的广泛应用，使提高热机的效率成为一个十分迫切的问题。人们根据热力学第一定律，知道制造一种效率大于100%的循环动作的热机只是一种空想，因为第一类永动机违反能量转换与守恒定律，所以不能实现。但是，制造一个效率为100%的循环动作的热机，有没有可能呢？分析热机循环效率公式，显然，如果向低温热源放出的热量Q2越少，效率η就越大，当Q2=0时，即不需要低温热源，只存在一个单一温度热源，其效率就可以达到100%。这就是说，如果在一个循环中，只从单一热源吸收热量使之全部变为功（这不违反能量守恒定律），循环效率就可达到100%，这个结论是非常引人关注的。有人曾作过估算，如果这种单一热源热机可以实现，则只要使海水降低0.01 K，就能使全世界所有机器工作1 000多年。

然而长期实践表明，循环效率达100%的热机是无法实现的。在这个基础上，开尔文在1851年提出了一条重要规律，称为热力学第二定律。这一定律表述为：不可能制成一种循环动作的热机，它只从一个单一温度的热源吸取热量，并使其全部变为有用功，而不引起其他变化。这就是热力学第二定律的开尔文表述。

大家记得，前面曾提醒过不要重犯企图制造第一类永动机的错误；现在更要强调一下，第二类永动机最易引人上当之处，在于人们往往忘记热力学第二定律的告诫，误以为凡是遵守能量守恒的过程就一定能够实现。我们要牢记：热力学这两条定律都是不容违背的。

应当指出，热力学第二定律的开尔文表述指的是循环工作的热机。如果工作物质进行的不是循环过程，而是像等温膨胀这样的过程，那是可以把一个热源吸收的热量全部用来做功的。但是，单一的等温膨胀过程并不是循环动作的机器，要用它来持续做功是不现实的。

此外，如果在一个与外界之间没有能量传递的孤立系统中，有一个温度为T1的高温物体和一个温度为T2的低温物体，那么，经过一段时间后，整个系统将达到温度为T的热平衡状态。这说明在一孤立系统内，热量是由高温物体向低温物体传递的。我们也有这样的经验，就是从未见过在一孤立系统中低温物体的温度会越来越低，高温物体的温度会越来越高，即热量能自动地由低温物体向高温物体传递。显然，这一过程也并不违反热力学第一定律，但在实践中确实无法实现。要使热量由低温物体传递到高温物体（如制冷机），只有依靠外界对它做功才能实现。人们总结出如下结论：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化。这就是热力学第二定律的克劳修斯表述。

应当指出，和热力学第一定律一样，热力学第二定律不能从更普遍的定律推导出来，它是大量实验和经验的总结，虽然我们不能直接去验证它的正确性，但能从它所得出的推论与客观实际相符而得到肯定。(www.xing528.com)

2.热力学第二定律的实质

如果我们进一步考查，可以发现，开尔文表述实际上就是说通过循环过程，功可以全部变为热能，而热能不能全部变为功，即本质不同的两种形式的能量，它们间的转换具有方向性；克劳修斯表述实际上是说热传导具有方向性。不仅如此，自然过程都具有确定的方向性。

一个系统，由某一状态出发，经过某一过程达到另一个状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来的状态，同时消除了原来过程引起的一切影响。如原来系统对外做的功全部收回，原来系统吸收的热量全部放出），则原来的过程叫作可逆过程；反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程叫作不可逆过程。

一般来说，无耗散（指无摩擦、无散热、无漏气等）效应的准静态过程可以看成是可逆过程。如理想气体的准静态等温膨胀过程就是可逆过程。但实际上无耗散的过程和准静态过程都是理想过程。任何实际过程都是有耗散，而且不可能是准静态的，所以任何实际宏观过程都是不可逆过程。

明确了可逆过程和不可逆过程的概念之后，我们很容易理解到，热力学第二定律的开尔文表述实质上指出功变热的过程是不可逆的。功可以完全变成热而不产生其他影响，但热完全变为功不产生其他影响是不可能的。克劳修斯表述实质上指出热传导的过程是不可逆的，热可以从高温物体自动地传向低温物体，但在不产生其他影响的条件下，热却不能从低温物体自动传到高温物体。

自然界中各种实际宏观过程都是不可逆过程，而且这些不可逆过程又都是相互关联的。因此，每一个不可逆过程都可以选为表述热力学第二定律的基础，热力学第二定律除了开尔文和克劳修斯两种典型表述以外，还可以表述为气体自由膨胀是不可逆的，扩散过程是不可逆的等。即热力学第二定律可以有多种不同的表述方式。但不管具体表述方式如何，热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。这就是说，一切实际宏观过程都具有方向性，某些方向的过程能够自动实现，而相反方向的过程则不能自动实现。热力学第二定律的不同表述都揭示了这一自然界的客观规律。