高二物理選修三《熱力學(xué)第二定律》知識(shí)點(diǎn)
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高二物理選修三《熱力學(xué)第二定律》知識(shí)點(diǎn)
一、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)
1.可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程
一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)。若存在另一過(guò)程，能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原(即系統(tǒng)回到原來(lái)的狀態(tài)，同時(shí)消除了原來(lái)過(guò)程對(duì)外界的一切影響)，則原來(lái)的過(guò)程稱(chēng)為“可逆過(guò)程”。反之，如果用任何方法都不可能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則稱(chēng)之為“不可逆過(guò)程”。
可逆過(guò)程是一種理想化的抽象，嚴(yán)格來(lái)講現(xiàn)實(shí)中并不存在(但它在理論上、計(jì)算上有著重要意義)。大量事實(shí)告訴我們：與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆過(guò)程。
2.對(duì)于開(kāi)氏與克氏的兩種表述的分析
克氏表述指出：熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆的。開(kāi)氏表述指出：功變熱(確切地說(shuō)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能)的過(guò)程是不可逆的。
兩種表述其實(shí)質(zhì)就是分別挑選了一種典型的不可逆過(guò)程，指出它所產(chǎn)生的效果不論用什么方法也不可能使系統(tǒng)完全恢復(fù)原狀，而不引起其他變化。
請(qǐng)注意加著重號(hào)的語(yǔ)句：“而不引起其他變化”。比如，制冷機(jī)(如電冰箱)可以將熱量Q由低溫T2處(冰箱內(nèi))向高溫T1處(冰箱外的外界)傳遞，但此時(shí)外界對(duì)制冷機(jī)做了電功W而引起了變化，并且高溫物體也多吸收了熱量Q(這是電能轉(zhuǎn)化而來(lái)的)。這與克氏表述并不矛盾。
3.不可逆過(guò)程的幾個(gè)典型例子
例1(理想氣體向真空自由膨脹)如圖1所示，容器被中間的隔板分為體積相等的兩部分：A部分盛有理想氣體，B部分為真空?，F(xiàn)抽掉隔板，則氣體就會(huì)自由膨脹而充滿整個(gè)容器。
例2(兩種理想氣體的擴(kuò)散混合)如圖2所示，兩種理想氣體C和D被隔板隔開(kāi)，具有相同的溫度和壓強(qiáng)。當(dāng)中間的隔板抽去后，兩種氣體發(fā)生擴(kuò)散而混合。
例3焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)。
這是一個(gè)不可逆過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)中，重物下降帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)水做功，使水的內(nèi)能增加。但是，我們不可能造出這樣一個(gè)機(jī)器：在其循環(huán)動(dòng)作中把一重物升高而同時(shí)使水冷卻而不引起外界變化。由此即可得熱力學(xué)第二定律的“普朗克表述”。
再如焦耳-湯姆生(開(kāi)爾文)多孔塞實(shí)驗(yàn)中的節(jié)流過(guò)程和各種爆炸過(guò)程等都是不可逆過(guò)程。
4.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)
對(duì)上面所列舉的不可逆過(guò)程以及自然界中其他不可逆過(guò)程，我們完全能夠由某一過(guò)程的不可逆性證明出另一過(guò)程的不可逆性，即自然界中的各種不可逆過(guò)程都是互相關(guān)聯(lián)的。我們可以選取任一個(gè)不可逆過(guò)程作為表述熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)。因此，熱力學(xué)第二定律就可以有多種不同的表達(dá)方式。
但不論具體的表達(dá)方式如何，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的，并指出這些過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的方向。
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