1、11.6 热力学第二定律能源环境 北京师范大学附属中学 许洪发 既然能量是守既然能量是守恒的，不能创造，恒的，不能创造，也不会消失，也不会消失，那我那我们为什么还要节约们为什么还要节约能源呢？能源呢？如果能使地球上的海如果能使地球上的海水温度降低水温度降低0.1，释，释放 出 的 能 量 相 当 于放 出 的 能 量 相 当 于18000000个功率为个功率为1000000kW的核电站的核电站一年的发电量。一年的发电量。人类能否尝试去开发人类能否尝试去开发这种这种“新能源新能源”呢？呢？自自19世纪蒸汽机出世纪蒸汽机出现以后，人类便开始现以后，人类便开始系统地对能源、效率系统地对能源、效率等问
2、题进行研究。等问题进行研究。其中最典型的便是其中最典型的便是对对热机热机理论的研究上。理论的研究上。（内能（内能机械能转化机械能转化效率的研究效率的研究）热机是一种热机是一种把内能转化把内能转化为机械能的装置为机械能的装置。（如。（如蒸蒸汽机、内燃机汽机、内燃机等）等）锅炉锅炉EQWQ0 由上可知由上可知Q 越少，越少，越高。越高。于是人们就考虑能否选择一种合适于是人们就考虑能否选择一种合适的工作物质让的工作物质让 Q 不存在，这样就可以不存在，这样就可以产生一个产生一个的热机（的热机（），可以看到这种机器），可以看到这种机器。00001QQQQQQWQWQ0 第二类永动机并不违背第二类永动机
3、并不违背能量的转化与守恒定律能量的转化与守恒定律，它也需要外界给机器提供它也需要外界给机器提供能量，只不过是从单一热能量，只不过是从单一热源（例如海洋、大气层等）源（例如海洋、大气层等）吸取热量，全部用来做功吸取热量，全部用来做功而不引起其他变化。而不引起其他变化。即将即将从热源获得的内能完全转从热源获得的内能完全转化成机械能的化成机械能的可循环可循环装置。装置。吸热吸热液氨液氨1881年，约翰年，约翰嘎姆吉，嘎姆吉，“零发动机零发动机”海海水水Q空气空气 1851年开尔文首先年开尔文首先认识到：没有其他条认识到：没有其他条件，内能全部转化为件，内能全部转化为机械能是不可能的。机械能是不可能的
4、。“不可能从不可能从单一热源单一热源吸收热量并把它全部用来吸收热量并把它全部用来做功，做功，而不引起其他变化。而不引起其他变化。”（这句话可以理解为：（这句话可以理解为：如果没有外界的帮助；如果没有外界的帮助；如果不产生某种变化，就如果不产生某种变化，就不可能从单一热源吸收不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功。）热量并把它全部用来做功。）（如果在外界帮助下或产生某种变化时，内能（如果在外界帮助下或产生某种变化时，内能是可以全部转化为机械能的。）是可以全部转化为机械能的。）指温度处处相同且恒定不变的理想指温度处处相同且恒定不变的理想热源，如小范围内的大气、海洋等，热源，如小范围内的大气、海
5、洋等，指除该表述所提及的作用外，任何由此产生的变指除该表述所提及的作用外，任何由此产生的变化。化。它揭示它揭示机械能可完全转化为内能，而内能转变为机械能可完全转化为内能，而内能转变为机械能是有条件的，且转化效率有所限制机械能是有条件的，且转化效率有所限制。即。即任任何存在何存在的宏观热现象过程是不可逆的。的宏观热现象过程是不可逆的。这恰恰也是为何这恰恰也是为何能量是守恒的，不能创造，也能量是守恒的，不能创造，也不会消失，不会消失，而我们还要节约能源的原因。而我们还要节约能源的原因。“机械能转化为内能机械能转化为内能”，这里沿用传统说法。这里沿用传统说法。在各种能之间的转化过程中，人类没有办法在
6、各种能之间的转化过程中，人类没有办法把流散到周围环境中的内能重新收集起来加于把流散到周围环境中的内能重新收集起来加于利用，这种现象叫做利用，这种现象叫做能量的耗散能量的耗散。能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性的宏观过程具有方向性（不可逆性）（不可逆性）。各种能量最终将转化为周各种能量最终将转化为周围环境的内能而无法再被利用。围环境的内能而无法再被利用。热力学第二定律热力学第二定律揭示了有揭示了有参与的宏参与的宏观过程的方向性观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。一定律的一个重要自
7、然规律。，它，它使人们认识到，使人们认识到，自然界中进行的一切涉及热现自然界中进行的一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性，象的宏观过程都具有方向性，对人们认识自然、对人们认识自然、利用自然有着重要的指导意义。利用自然有着重要的指导意义。1。热传导的方向性。热传导的方向性 两个温度不同的物体相互接触时，热量会两个温度不同的物体相互接触时，热量会地从高温物体传给低温物体，结果是使得地从高温物体传给低温物体，结果是使得高温物体温度降低，低温物体温度升高。高温物体温度降低，低温物体温度升高。：指在没有任何的外界的影响或帮指在没有任何的外界的影响或帮助情况下。助情况下。高温物体低温物体热量热量自发自发T
8、T高温物体低温物体TT热量热量自自发发不可能！不可能！“不可能使热量由低温物体传递到高温物体，不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而而不引起其他变化不引起其他变化。”（这句话可以理解为：（这句话可以理解为：如果没有外界的帮助；如果没有外界的帮助；如果不产生某种变化，就如果不产生某种变化，就不可能使热量由低温物不可能使热量由低温物体传递到高温物体。）体传递到高温物体。）（如果在外界帮助下或产生某种变化时，热量（如果在外界帮助下或产生某种变化时，热量是可以是可以由低温物体传递到高温物体的由低温物体传递到高温物体的。）。）克劳修斯克劳修斯？冰箱内的温度比外冰箱内的温度比外面低，可为何制冷系统面低，
9、可为何制冷系统还能够不断地把冰箱内还能够不断地把冰箱内的热量传给外界高温的的热量传给外界高温的空气呢？空气呢？冰箱能制冷，使热量由低温物体向高温物冰箱能制冷，使热量由低温物体向高温物体传递，是由于它靠压缩机消耗电能对制冷系体传递，是由于它靠压缩机消耗电能对制冷系统作功。统作功。即借助了外界的帮助！即借助了外界的帮助！也就是说它产也就是说它产生其它的影响或引起了其他的变化。生其它的影响或引起了其他的变化。2。扩散现象具有方向性。扩散现象具有方向性 自然界中能自然界中能自发自发进行的各种宏进行的各种宏观过程都具有方向性。观过程都具有方向性。3。生命过程具有方向性。生命过程具有方向性 4。无机体腐蚀
10、过程、有机体腐坏等过程具有方。无机体腐蚀过程、有机体腐坏等过程具有方向性。向性。“系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律。计规律。”一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行的方向进行（如果一个（如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”数目数目W比较多，就说这个比较多，就说这个“宏观态宏观态”是比较无序的）是比较无序的）熵熵 S，S lnW（波尔兹曼）（波尔兹曼）S=k lnW（普朗克）（普朗克）在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小小 歌德浮士德歌德浮士德 W=1W=4W=6W=4W=1
