關于熱力學第二定律在生活中的應用

熱力學第二定律在生活中的應用

摘要：

熱力學第二定律作為判定與熱現象有關的物理過程進行方向的定律，是

物理熱學中的一個重要部分。本文分析了熱力學第二定律的涵義以及意義，并闡

述了它在當今社會的一些應用。

關鍵詞：

熱力學第二定律；物理過程；應用

引言：

熱力學第二定律，不僅決定了能量轉移的方向問題，對信息技術，生命科學

以及人文科學的發展都起到了非常重要的作用，應用極其廣泛。熱力學第二定律

對新世紀的科學技術乃至整個社會的發展都產生重要影響。

１ 熱力學第二定律內涵

德國物理學家克勞修斯，在研究和明卡諾定理時， 根據熱傳導這個不可逆

程， 對規律性的內涵提出了一種說法， 這后來被稱為熱力學第二定律的克勞修

斯法： 熱可以自發地由高溫物體傳到低溫體， 但不可能由低溫物體傳到高溫物

體而引起其它變化。不能簡單把克勞修斯說法理解成熱不能由低溫物傳到高溫物

體，而是在不允許引起其變化和條件下，熱不能由低溫物體傳到高物體，如若允

許引起其它變化和話，熱是可以由低溫物體傳到高溫物體的。

開爾文是從機械能和內能之間相互轉化時具有向性的角度來表述的。通過一

定裝置，機能可以全部轉化成內能。但是，內能卻不自發地完全轉化成機械能。

要實現內能全轉化成機械能，必須借助其他物理變化機械能和內能之間的轉化是

具有方向性的此種表述也包含兩層含義，即若從單一源吸收熱量，并把它完全用

來做功，同時不允許產生其他變化，則這種熱力學過程不可能發生的；若允許產

生其他變化，則單一熱源吸收熱量，并把它全部用來做功這種熱力學過程是有可

能發生的。

熱力學第二定律指出了其不可逆過的單向性， 從熱力學第二定律的這些表

述發， 能夠找到一個表征不可逆過程單向性物理量，利用它能夠把熱力學第二

定律用為普遍的形式表示出來。克勞修斯定義一個態函數，認為自發過程的不可

逆性決定于過程進行的過程或路徑， 而是決定系統的初始狀態和最終狀態，稱

之為“熵用 Ｓ 表示從一個狀態 Ａ 到一個狀態 Ｂ 。

Ｓ 的變化定義為：

S?S

BA

= (1)

?

dQ/T

B

A

對無限小過程ds = dq/T 。這樣熱力學第二律表示為： ds ≥ dq/T

在孤立系統中，任何變化不可能導致熵的問題減小，即ds ≥0。

如果變化過程是可逆的則 ds=0 ，總之熵是有增無減。

2、熱力學第二定律的應用

２.1通過熵增原理，理解能源危機

1

按熱力學第二定律的數學表達式， 對于與外界既無能量交換又無物質交換

的孤立系統，必有ds ＞0，這就是熵增原理。在孤立系統或絕熱系統中進行的

一切不可逆過程向熵增加的方向演化， 直到熵函數達到最大為止。在孤立或絕

熱條件下，系統自發地由非平衡態趨向平衡態的過程，正是一種熵增的過程。平

衡態對應最大熵， 一定的外部條件確立系統的平衡態，最大熵也是指在一定外

部條件下的最大。當人們燃燒煤、石油原子核，能量的問題并無變化，從熱力學

第一定律來看這一切，能量不會消失，也就不可能有能源危機。但是如果從熱力

學第二定律來看這一切， 就會使人們擔心。燃燒資源，其結果是世界的熵無情

地增加，它所貯存的能量的“質”隨之衰退，并向空間彌散，于是我們把自己帶

進了能源危機之中。我們要做的不是保住能的數量，而是要珍惜它的“質”，應

該合理使用能量，降低熵的產生，提高能量的利用效率，并不斷開發新能源。

2.2 理解時間的流逝

熱力學第二定律是自然界所有單方向變化過程的共同規律，而時間的變化就是

一個單向的不可逆的過程，因此可以這樣假設：時間的運動方向，就是熵增加的

方向。由此，熱力學第二定律就給出了一個時間箭頭，通過進一步研究表明，能

量守恒與時間的均勻性有關，即熱力學第一定律告訴我們，時間是均勻流逝的。

這兩條定律合在一起就是：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。

2.3 在信息熵中的應用

人類在長期的電訊通信實踐中，不斷在力圖提高通信的有效性和可靠性。提

高有效性就是盡可能用最窄的頻帶，盡可能快和盡可能降低能耗，即提高通信的

經濟性；高可靠性，就是要力圖消除或減少噪音，以提高通信的質量。隨著電子

通信發展到一定階段后，人們在實踐中發現，在一定的條件下，要同時實現上述

這兩個要求，會遇到不可克服的困難：要減少噪音的干擾，信息傳輸速率就得降

低；反之，提高了傳輸速率就不能有效地避免噪擾，在一定的具體的客觀條件下，

想要同時提高電訊通信的效率和可靠性的企圖總是失敗的。于是有人想到在限定

的條件下同時提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一種理論上的界限。1948

年，美國貝爾電訊實驗所的工程師申農提出了了一個數學模型，對于信息的產生

和傳輸這些概念從量的方面給以定義，提出了信道和信息量等概念，利用熵的形

成導入了信道容量這一新的重要概念，并且確定了信號頻帶寬度、超擾值和信道

傳輸率三者之間的一般關系。從而， 我們可以用信息熵來描述信道上傳輸信息

的容量。這就是熱力學第二定律在信息傳輸技術中的一些應用。

2.4 形成宇宙的耗散結構理論

著名比利時物理學家普利高津認為熱力學第二定律是自然界的一條基本規

律，他在不違背熱力學第二定律的條件下，找到了開放系統由無序狀態變為新的

有序狀態的途徑。他認為，開放系統的熵可以定義為

Ｓ＝ｄＳｉ＋ｄＳｅ

(2)

其中 ｄＳｉ為熵產生，由系統內不可逆過程產生；ｄＳｅ 為熵流，由系統與外

界交換能量或物質所引起。熵產生 ｄＳｉ 遠不可能為負值，而熵流 ｄＳｅ 則

可正可負還可以是零。由于外界有時候有負熵流入， 系統的總熵可以保持不變

乃至減小， 系統保持穩定或者達到有序形成“耗散結構”。由此， 普利高津得

2

出我們的宇宙是一個無限發展的開放系統，自然界不會變得越來越無序，而會變

得越來越豐富多彩，會形成各種新的有序結構，宇宙不可能處于“熱寂”狀態。

從目前人類對天文觀測的事實發現，宇宙是向著“熱寂”發展，從而證實了普利

高的熱力學第二定律的應用正確性。

2.5黑洞熱輻射的發現

1972年,英國物理學家霍金提出了黑洞的“面積定理”.證明黑洞的面積隨時

間的變化只能增加,不能少,即dA≥0。這不由人們想起了熱力學中的“熵”。與此

同時，物理學家貝根坦和斯馬爾，各自獨立地得出了關于黑洞的個重要公式,即

dM=k8PdA+8dJ+VdQ (3)

式中M、J、Q分別是黑洞的總質量、總角動量、總電荷;A、8、V分別是黑

洞的表面積、轉動速度和表面上的靜電勢,k稱為黑洞的表面力.此式與熱力學第

一定律表達式，即

dU=TdS+8dJ+VdQ (4)

式(3) 式(4)非常相似。式中U、T、S分別是系統的內能、度和熵；8、J、V、Q

等物理意義與前式類似。不難看出,黑洞面積A確實像熵S,而黑洞的面重力k非

常像溫度T。1973年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞專家聯名發表一篇論

文,聲稱可以模仿熱力學定律給出黑力學的定律,但黑洞的溫度不能看作真實。

3、結語

本文探討了熱力學第二定律的內涵，闡述了熱力學第二定律在理解能源危機、

理解時間的流逝的作用，分析了在信息熵中的應用，介紹了熱力學第二定律在形

成宇宙的耗散結構理論，黑洞熱輻射的發現中的作用。

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