热力学第二定律

热力学第二定律,声明中描述的有用的工作完成从一个交易所或转移的过程热。

第二定律热力学可以准确地说在接下来的两种形式,最早源于19世纪的苏格兰物理学家威廉汤姆逊(开尔文勋爵)和德国的物理学家鲁道夫·克劳修斯分别为:

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热力学:热力学第二定律

循环转换唯一的最终结果是将热量从一个源在同一温度在工作是不可能的。

循环转换唯一的最终结果是将热量从一个身体在给定温度的身体在更高的温度是不可能的。

这两个语句实际上是等价的,因为如果第一个是可能的,然后可以使用获得的工作,例如,生成电这可以出院通过一个电加热器安装在一个身体在更高的温度。的净效应将是一个流动热量从低温到高温,从而违反第二第二定律(克劳修斯)的形式。相反,如果第二种形式是可能的,那么热量转移到更高的温度可以用来运行一个热机的一部分热量转换成工作。最后的结果将是一个热量转化为工作在恒定温度违反第一第二定律(开尔文)的形式。

的概念熵克劳修斯于1850年首次引入作为一个精确的数学方法的测试是否违反了热力学第二定律的一个特定的过程。测试开始定义,如果一个热量问流入恒温热源T,那么它的熵年代增加Δ年代=问/T。(这个方程实际上提供了热力学温度的定义可以被证明是相同的传统测温。)现在假设有两个热储层R₁和R₂在温度T₁和T₂。如果一个热量问来自R₁来R₂两个水库,那么净熵变Δ年代是正的,提供了吗T₁>T₂。因此,观察热从来没有流自发从寒冷地区炎热的地区(热力学第二定律)的克劳修斯形式相当于要求网络熵变积极自发的热流。如果T₁=T₂,那么水库平衡和Δ年代= 0。

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Δ条件年代≥0决定了最大可能效率热的发动机。假设一些系统的工作循环的方式(一个热机)吸收热量问₁从R₁和尾气热量问₂来R₂为每一个完整的周期。因为系统返回到原来的状态在一个周期结束时,它的能源不会改变。然后,通过能量守恒,每个周期的功W=问₁−问₂两个水库,净熵变为了使W尽可能的大,问₂应该保持尽可能小的相对问₁。然而,问₂不能是零,因为这将使Δ年代-所以违反热力学第二定律。尽可能最小的价值的问₂Δ对应的条件年代收益率= 0,这是所有热引擎的基本方程限制效率的函数(如热转换成工作电力发电机)。实际效率定义的一部分问₁这是转化为工作(W/问₁)。

一个给定的最大效率T₁和T₂因此,Δ的一个过程年代= 0是可逆的,因为一个无限小的改变足以使热机倒放冰箱。

作为一个例子,材料的属性限制热电厂的实际上层温度T₁≅1200 K。采取T₂的温度环境(300 K),最大效率是1−300/1,200 = 0.75。因此,至少25%的热能必须疲惫到环境中产生的废热,以避免违反热力学第二定律。由于各种缺陷,如摩擦和不完美的保温,电厂的实际效率很少超过60%。然而,由于热力学第二定律,再多的智慧或改进设计可以增加效率超过75%左右。

热机的例子说明的方式可以应用热力学第二定律。概括的例子的一个方法是考虑热引擎和它的热量储层作为一个孤立的部分地区(或关闭)system-i.e。,一个不与环境交换热量或工作。例如,热机和储层可能是包裹在一个刚性容器隔热墙。在这种情况下,热力学第二定律(在这里给出的简化形式)说,不管过程发生在容器内,其熵必须增加或保持相同的限制可逆过程。类似地,如果宇宙熵是一个孤立的系统,那么它也必须随着时间而增加。事实上,含义是宇宙最终必须受到“热死”作为其熵逐渐增加到最大值和所有部分进入热平衡温度均匀。在这一点上,没有进一步的改变包括热量转化为有用的工作将是可能的。一般来说,一个孤立系统的平衡态是精确,最大熵的状态。(这相当于另一个定义的术语熵作为衡量系统的障碍,这样一个完全随机分散的元素对应于最大熵,或最小信息。看到理论:信息熵。)

那么什么是之间的联系熵和热力学第二定律吗?回想一下,热在分子水平上是随机的动能分子的运动碰撞分子间的微观机理提供热能从一个地方运输到另一个地方。因为个人碰撞被逆转时间的方向不变,热量可以一样在一个方向流动。因此,从的角度来看基本交互,没有什麽能阻止一个随机事件的缓慢(冷)分子发生一起收集在一个地方,形成冰,而周围的水变得更热。这样的偶然事件随时可能发生在一个包含几个水分子。然而,同样的事件从未被观测到的机会在一个盛满水的杯子,不是因为他们是不可能的,但因为他们是极其不可能的。这是因为即使是很小的一杯水分子包含一个巨大的数量的互动(约10²⁴),使它不太可能,在他们的随机热运动的过程中,冷分子的一个重要部分将收集在一个地方。虽然这种自发的违反了热力学第二定律并不是不可能的,一个极其耐心的物理学家将不得不等待很多次宇宙的年龄看到它发生。

上述演示了一个重要的点:热力学第二定律统计在自然界中。它没有意义在单个分子的层面上,而法律变得本质上准确描述的大量相互作用的分子。相比之下,热力学第一定律表达了能量守恒,仍然是完全真的,甚至在分子水平上。

冰融化的例子在一杯热水还展示了其他意义上的术语熵,作为一个增加随机性和并行信息丢失。最初,总热能是分区这样所有的缓慢(冷)分子位于冰和所有的快速移动(热)分子位于水(或水蒸汽)。冰融化后,系统热平衡,热能是均匀分布在整个系统。统计方法提供了大量有价值的洞察热力学第二定律的意义,但是,从应用程序的观点,物质的微观结构变得无关紧要。经典热力学的美和力量,其预测是完全独立于物质的微观结构。