首先,熱力學第二定律的表述(表述)雖然有多種,但都反映了客觀事物的一個共同本質,即自然界中一切自發過程都具有“方向性”,一切自發過程都是不可逆的。
其次,熱力學過程的方向性可以用“熵”來衡量,即孤立系統內一切實際過程的總熵增加,而在理想條件下(即可逆),總熵保持不變。
讓我們用兩個最常見的熱力學表述來理解它。
1.克勞修斯表述(1850年):熱量不能自發地、無代價地從低溫物體傳遞到高溫物體。
解釋:
(1)這里需要強調的是“自發的,沒有代價的”。我們可以通過熱泵裝置實現“熱量從低溫物體轉移到高溫物體”,但這是有代價的,即以消耗功來驅動熱泵為代價。它是“人為的”、“強迫的”,不是“自發的”。因此,非自發的過程,比如熱量從低溫物體轉移到高溫物體,也必須有一個自發過程(這里指機械能轉化為熱能)來補償。這個過程就叫“補償過程”。
(2)非自發過程(如從低溫物體向高溫物體傳熱)能否進行,取決于所投入的“成本”是否足夠,即總系統(孤立系統)的熵必須增加,或者在可逆條件下總熵不變。換言之,投入的“成本”不夠,非自發過程就不能進行,或者不能進行徹底(達不到預期狀態)。非自發過程只有孤立系統的總熵變不小于零時才能進行。
2.開爾文—普朗特表述(1851年):不可能制造一個熱發生器,它只吸收單一熱源的熱量,并將其全部轉化為功英語作文,而不留下任何其他變化。
解釋:
(1)這里強調的是“不留其他變化”,也就是說,熱機內部、外界環境以及所有其他物體都沒有發生改變。
開爾文-普朗特理論解釋說熱力學第二定律,熱量要轉化成功,必須把一部分熱量轉移給低溫物體(注意,這是一個自發的過程,熱量從高溫向低溫轉移),也就是說,必須有一個“補償過程”作為代價。
(2)有可能把熱量全部轉化為功,但必須“留下其他變化”。例如熱力學第二定律,在等溫過程中,熱量可以全部轉化為功,但此時熱機內部工作流體的“狀態”已經發生了變化(即工作流體不能回到初始狀態,事實上,這樣的熱機實際上并不存在),而留下變化。
總之,要正確理解熱力學第二定律,需要掌握以下幾點:
1. 上述熱力學第二定律的兩個表述及其等價性;
2.卡諾循環與卡諾定理、卡諾效率、ηT≤ηC;
3. 克勞修斯積分方程和不等式;
4.熵過程方程:dS≥dQ/Tr;
5、孤立系統熵增加原理:△Siso=∑△Si=Sg≥0;
6.封閉系統(控制質量)熵方程:dS=dSg+dQ/Tr;(開放系統也要掌握)
7、能量折舊原則:dEx,iso≤0;
8.熵產生與機械能(火用)損失關系:I=To×Sg。