热力学第二定律和熵增加原理

1  热力学第二定律

  • 开尔文&普朗克(KelvinPlanck)的表述:不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响;
  • 克劳修斯(Clausius的表述:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。

为了使能量可被利用,必须有一个高能级的区域和一个低能级的区域。有用的功必须来自从高水平流向低水平的能量。且在此过程中:

  • 无法将100%的能量转化
  • 熵可以产生但永不消灭

第二定律与熵(S)有关,熵是由过程产生的,并且与有用能量的丧失有关。第二定律可推导出宇宙系统熵的增加。

2  熵

熵(shāng),热力学中表征物质状态的参量之一,用符号S表示,其物理意义是体系混乱程度的度量。

热力学第二定律本身及所引入的熵的概念对于物理学及其他科学领域有深远意义。定律本身可作为过程不可逆性及时间流向的判据。而路德维希·玻尔兹曼对于熵的微观解释——系统微观粒子无序程度的量度,更使这概念被引用到物理学之外诸多领域,如信息论及生态学等。

3  可逆过程

对于给定的物理过程,如果过程可以逆转,则系统和环境的组合熵保持恒定。

可逆过程的一个示例是理想情况下迫使流量通过狭窄的管道。理想意味着没有边界层损失。当流体流经缩颈时,压力,温度和速度会发生变化,但这些变量会返回到缩颈下游的原始值。气体的状态返回其原始状态,系统的熵变化为零。因此将此过程称为等熵过程。

热力学第二定律指出,如果物理过程是不可逆的,则系统和环境的组合熵必须增加。

对于不可逆过程,最终熵必大于初始熵:

Sf> Si(不可逆过程)

其中:

  • Sf=系统最终熵
  • Si=系统最初熵

不可逆过程示例:使热的物体与冷的物体接触。最终,它们都达到相同的平衡温度。如果我们然后分离这些物体,它们将保持在平衡温度,并且不会自然地返回其原始温度。使它们达到相同温度的过程是不可逆的。

4  熵增加原理

考察一系列不可逆过程中熵的变化(如在绝热环境中理想气体的真空自由膨胀,在绝热环境中两物体间热传递等等)经过计算,可以得到,这些过程中系统的熵∆S>0。

而现在已有大量的实验证明:

“           热力学系统从一个平衡态到另一平衡态的过程中,其熵永不减少:若过程可逆,则熵不变;若不可逆,则熵增加。”——即熵增加原理。

通过熵增加原理,可以得到对于一个孤立系统,其内部自发进行的与热相关的过程必然向熵增的方向进行。而孤立系统不受外界任何影响,且系统最终处于平衡态,则在平衡态时,系统的熵取最大值。由此,熵增加原理则可作为不可逆过程判据。可以证明熵增加原理与克劳修斯表述及开尔文表述等价。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。