李 琦

（吕梁学院汾阳师范分校，山西 吕梁 032200）

在物理研究工作中物理学家对热力学第二定律通常有两种常见表述，一种是因为若想不使其他发生变化而让热量从温度较低的物体传到温度高温的物体基本是不可能的，所以我们可以按热量进行热传递过程中能量流动的方向来表述。除此之外还由于基本不能将热量由单一源经过吸收所得到的热量在不发生其他变化而都用来做功，所以我们可以根据能量的机械能和内能进行转化的方向变化来表述。为此我们可以对第二定律进行永动机机制研究制造的以上两个方向的应用进行探讨。

一、热力学第二定律概念

2.1 意义

对于以自然环境下热能永远都只会从热处过渡到冷处作为主要含义的热力学第二定律不仅仅是独立在第一定律后的热力学又一基本规律，同时还为我们形象的展示了参杂大量分子热量的宏观活动的方向。它为我们揭示了在一定空间、时间内，所有涉及热运动的物理、化学过程都是不可逆返的，这也从根本上认定了永动机理论的不科学性。由第二定律作为日常生活主要依据的人们，其生产中可以通过合理有效的科学实验进行总结归纳得出，但是由于推算论证的步骤方法过于繁琐，数量过于庞大，使得第二热力学定律不仅不能涉及到物质微观结构，就连用常用的数学进行推导与验证也不行。即便如此因为该定律是经过无数科学研究工作人员进行无数次热力学试验验证，其精确度与可靠性是无可厚非的。

2.2 含义

由于自然界大多数不可逆过程内部都是具有互相关联性质的，所以可任选不可逆过程其中之一充当热力学第二定律的表述基础。由此我们知道热力学第二定律是可以有很多种不一样的表达方式的。可是不论选择哪种表达方式，在本质上学热力学第二定律都为我们展示出：所有和热现象有关联的宏观活动本质的逆转性都是不相互的，同时为我们指出热现象都是按照自发方向进行的。

热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数——熵。可以用熵来对第二定律作定量的表述。具体点说，其实热力学第二定律就是告诉我们：所有自然界发生的的变化都不会自行恢复原状的，都需要借助外界条件，变化期间初始与结束是存在很大差异的，这种差异会影响变化的方向，但是我们可以利用熵这个态函数来对差异进行描述，在理论上我们能够进行初步证实：

热力学绝热反应可逆过程：Sf=Si；

热力学绝热不可逆反应过程：Sf>Si；

（其中Sf 是变化结果的熵，Si 是系统初始的熵，根据对熵的分析计算，我们可以发现热力学系统的统计性质。）

由于在相对存在都毫无关联且孤立的热量变化可逆反应中，从始至终的熵基本是没有变化的；但是在不可逆反应中，熵却是基本呈现不断增加的态势，针对此现象我们还可以称其为熵增加原理。这一原理通常也被看做是热力学第二定律的另一表述。其间对于熵的增加可以看作是热量系统内部发生了由小几率向大几率的变化，也可以看作是热量反应发生了一个规律、秩序都比较有章可依的状态转变为一个基本无规则，也无秩序的变化状态。

其实，通过上述热力学第二定律的含义推算过程中我们就完全可以充分理解得出：永动机存在科学争议是一种必然。

二、热力学第二定律发展历史

热力学第二定律的研究发展史历经数十载，并经过多位学者、科学家的一次次研究证实。最开始可以说是在十九世纪初，当时虽然被巴本、纽可门等研究发明并几经改进，尤其是在瓦特研究改良后的蒸汽机基本成型，并被广泛使用在多家大型工厂、采集煤矿的矿山甚至国家的主要交通运输工作中，然而此时人们对蒸汽机的理论理解不到位，研究肤浅，在这种情况下可以解决热现象并提高热机效率的热力学第二定律的研究工作浩浩荡荡开展了。

之后到了1824 年，卡诺这个法国高级陆军工程师在发表的名为“论火的动力”的论文中提出了可以提高热机效率的“卡诺定理”（卡诺定力结构图如下图图一所示）。然而由于当时的卡诺是利用现在看来是错误的理论依据“热质说”来进行研究。直到迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人在1840 年到1847 年间对热力学机理进行研究，并在此基础上扎实建立热力学第一定律甚至其他一些更普遍的能量守恒定律。此时的“热动说”已经基本被人们普遍接受。一年后开尔文爵士依据卡诺定理构建一个基本不依赖任何特殊物质具有的物理特性，在理论上基本解决各种经验温标不同的缺点的“热力学温标”，这些都是为热力学第二定律的成立进行的铺垫。在此之后于1850 年，克劳修斯利用前几年普及的“热动说”作为研究点进行卡诺定理审核，由于热量的热传导基本都是自主的从温度较高的物体将热量传递给温度较低的物体，克劳修斯得到热力学第二定律的基本内容。其后几经深入改进与修改，就出现了至今仍被广大教材沿用的“克劳修斯表述”。但是同时期，科学家开尔文在对热力学进行研究的过程中也在卡诺定理中从另一方面对热力学第二定律进行了表述，这就是此后广大教科书中所提到的“开尔文表述”。这两种表述相互不影响，处于等价的平等关系，本质上都明确指示出能量在自然界宏观变化过程中方向以及作用与能量的不可逆（如下图图二所示）。根据两个平等理论的应用角度进行分析，针对克劳修斯的理论表述在能量进行热传递的变化方向本质上看，只可以自主的由温度较高的物体把热量传递给温度较低的物体，无法在不发生其他物质变化的情况下将热量由温度较低的物体传递给温度较高的物体。然而如果参考下图图三所示的结构显示，我们可以通过致冷机从温度较低的物体热量转移给温度较高的物体，其间一定存在外界做功。然而根据开尔文的理论表述内容主要是以热功转化作为基本内容的。如果根据能量守恒定律是可以实现机械能全部转化成内能的，将能量的功全部转变成热量，举个例子：因为活动摩擦生热在平面上运动的木块最后都会停下。与此相反，想要在不发生其他变化完全将由单一热源所吸收的热量转变为有用功基本上是不可能的。

当然，从热力学第二定律的发展史中我们就可以清楚看到永动机的制造只能是个空想，基本从始至终都是必受争议的。

（图一：卡诺定理证明理论结构图）

（图二：开尔文第二定律表述与克劳修斯第二定律表述逻辑结构关系）

（图三：能量在热机与制冷机的转化结构图）

三、热力学第二定律应用探究

热力学第二定律因为可以解决热量传递过程中转化问题，所以实际应用很广，根据上述给出的热力学第二定律定义与意义，热力学第二定律有以下三点实践应用，具体内容如下问所示：

(1) 由于热力学第二定律是物理学热量问题的宏观规律，所以热力学第二定律不适用于少数分子构建组成的结构微观型系统体系。

(2)根据上述内容，我们知道热力学第二定律普遍对热量的“绝热”以及“孤立”两个系统体系在有生命的性能结构属于开放型的物体上面不适用。所以当开尔文于1851 年对物理热力学第二定律进行论述时，就明确指出：物理热力学第二定律对无生命气象的物质适用，但是对于有生命性征的动物体就不能像性能正常的热机一样按常规进行有一定规律的工作。

(3)物理热力学第二定律具有很广泛的应用价值，在十九世纪前半期主要应用在建筑工程的限定性空间与时间的物质能量变化问题上，但是到了本世纪后半期也有科学家不顾应用局限性，将热力学第二定律错误的应用在空间、时间都范围无限的、开放的宇宙空间的物质变化中，甚至给出“热寂说”并声称：未来某天，能量会在整个宇宙空间内实现一种热平衡状态，那时所有的能量物质变化都会停下，等到那时整个浩瀚的宇宙就真的死亡了，这是很大胆的设想。发表这一观点的科学家妄想未来的某一天将处于稳定，能量基本平衡的宇宙重获新生，再次重新活动起来，但是实际上这种想法只有存在外力进行推动才可能实现。当然从表面上看这一说法为唯心主义如上帝创造世界等说法提供了证据不足但论述提出者坚信的“科学依据”。

(4)根据热力学第二定律热传导机理，此定律也被广泛应用在造船焊接技术、供电工程电力传输技术、甚至桥梁施建技术等方面的应用潜质。

其实除却上述的应用，备受科学家争议的永动机，才是热力学第二定律最初最根本的应用设想，然而却因为根本不可能实现而日渐被以上的常见应用途径所掩盖。

四、结论

对于热力学第二定律，在高中物理学习中大多数人都进行过初步接触，期间对于充当永动机的制造原理更是引人注目，本文通过初步对热力学第二定律进行应用性能的研究与探讨，希望可以让更多人认识到热力学第二定律虽然是热学活动研究工作中重要热量反应定律，更被应用于人们日常生活的各个领域，但是并不能以此作为永动机制造的理论依据。

[1]张启仁. 热力学第二定律的一个普遍的信息论证明［J］.中国科学G辑：物理学力学天文学，2008，38（6）：781-784.

[2]赵凯华，罗蔚茵编.新概念物理教程-热学[M].高等教育出版社，1998.

[3]潘雯，严仲强.从热力学第二定律讨论热力学过程［J］.广西物理.2002，23（03）.