4.2　熱力學(xué)第二定律的語(yǔ)言表述

4.2.1　語(yǔ)言表述

人們對(duì)自發(fā)變化過(guò)程的共性特征規(guī)律總結(jié)獲得了熱力學(xué)第二定律的語(yǔ)言表述。人類(lèi)在功熱轉(zhuǎn)換研究的過(guò)程中，于19世紀(jì)中葉，科學(xué)前輩們提出來(lái)了熱力學(xué)第二定律（與熱力學(xué)第一定律相承接）的多種表述，其中最常用的有以下三種經(jīng)典的表述。

（1）克勞修斯表述

克勞修斯（R.Clausius）^［1］表述為：在不引起其他變化條件下，熱不可能從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩础?/p>

［1］魯?shù)婪颉び壤麨跛埂ぐｑR努埃爾·克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822—1888），德國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一。1850年因發(fā)表論文《論熱的動(dòng)力以及由此導(dǎo)出的關(guān)于熱本身的諸定律》而聞名，重述了卡諾定律，1855年引進(jìn)了熵的概念。

這里強(qiáng)調(diào)的是“不引起其他變化條件”下，把熱從低溫物體傳給高溫物體是不可能發(fā)生的過(guò)程，說(shuō)明了熱傳導(dǎo)的不可逆性規(guī)律。高溫物體的熱可以傳向低溫物體，反過(guò)來(lái)，低溫物體的熱不可能傳向高溫物體，若低溫物體的熱傳向高溫物體，這必須通過(guò)制冷機(jī)類(lèi)設(shè)備做功來(lái)實(shí)現(xiàn)，而做功實(shí)現(xiàn)了低溫到高溫物體的傳熱過(guò)程，而整個(gè)過(guò)程凈的結(jié)果是功變成了熱留給了環(huán)境，引起了環(huán)境的改變，體系恢復(fù)了原狀，但環(huán)境付出了功得到了熱。

（2）開(kāi)爾文表述

開(kāi)爾文（Kelvin）表述為：在不產(chǎn)生其他的變化條件下，不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Α?/p>

這里強(qiáng)調(diào)的是“不產(chǎn)生其他的變化條件”下，把熱轉(zhuǎn)化為功的過(guò)程是不可能的，說(shuō)明了功與熱轉(zhuǎn)換的不可逆性。摩擦做功可以產(chǎn)生熱，反過(guò)來(lái)，不可能將所有的熱全部轉(zhuǎn)化為功，說(shuō)明了摩擦產(chǎn)熱的不可逆性。

（3）永動(dòng)機(jī)表述

不違反熱力學(xué)第一定律，從單一熱源吸取熱并全部轉(zhuǎn)化為功而無(wú)任何其他變化的機(jī)器（第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)）是不可能制造出來(lái)的。

這里強(qiáng)調(diào)三點(diǎn)：①第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)并不違反熱力學(xué)第一定律，它的不存在也是人們經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。②關(guān)于“不可能從單一熱源吸熱并全部轉(zhuǎn)化為功而無(wú)任何其他變化”這句話(huà)必須完整理解，否則是不符合事實(shí)的。例如理想氣體定溫膨脹DU=0，Q=-W，就是體系從環(huán)境中吸熱全部變?yōu)楣Γw系體積變大、壓力變小，體系發(fā)生了變化。③第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是違反了開(kāi)爾文表述的，本質(zhì)上熱力學(xué)第二定律的永動(dòng)機(jī)表述與開(kāi)爾文表述是一致的，都是說(shuō)明功熱轉(zhuǎn)換的不可逆性。

熱力學(xué)第二定律與第一定律一樣，也是建立在無(wú)數(shù)事實(shí)的基礎(chǔ)上的人類(lèi)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，雖然不能從其他定律推導(dǎo)證明它的正確性，但由它得出的種種推論都是與客觀實(shí)際現(xiàn)象符合，并得到實(shí)踐所證實(shí)的，由此也證明了熱力學(xué)第二定律是客觀規(guī)律。

熱和功都是體系變化過(guò)程中的能量表現(xiàn)，熱力學(xué)第二定律闡明了熱轉(zhuǎn)化為功是有條件的，而功轉(zhuǎn)化為熱是無(wú)條件的。

致學(xué)生：

從熱力學(xué)第二定律看出，能科學(xué)證明某種事物的不可能也同樣是人類(lèi)進(jìn)步的巨大貢獻(xiàn)！

4.2.2　表述的一致性

克勞修斯表述了熱傳導(dǎo)方向的不可逆性，開(kāi)爾文表述了功熱轉(zhuǎn)換方向的不可逆性。二者僅是表述角度上的不同，本質(zhì)上是一致的，我們可以用歸謬證明的反證方法證明二者的等價(jià)性。

假設(shè)克勞修斯表述不成立，即假設(shè)熱Q_c可以從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌兓鐖D4-1（a）所示。這樣，我們就可以用一個(gè)可逆熱機(jī)（指滿(mǎn)足熱力學(xué)第一定律、能完全實(shí)現(xiàn)功-熱相互轉(zhuǎn)換的機(jī)器，稱(chēng)為可逆熱機(jī)，其工作過(guò)程都是可逆過(guò)程）從高溫?zé)嵩次鼰?i>Q_h，其中一部分熱Q_c傳給低溫?zé)嵩矗徊糠譄幔?i>Q_h-Q_c）對(duì)外做功W；熱Q₁又自動(dòng)從低溫?zé)嵩戳骰氐礁邷責(zé)嵩床⒉灰鹌渌兓蜏責(zé)嵩椿謴?fù)了原狀。如此循環(huán)，凈的結(jié)果相當(dāng)于從單一熱源吸熱（Q_h-Q_c）全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?i>W而沒(méi)有引起其他變化，這個(gè)結(jié)論與開(kāi)爾文表述是相反的，說(shuō)明假設(shè)是錯(cuò)誤的。

反過(guò)來(lái)，假設(shè)開(kāi)爾文表述不成立，即假設(shè)從單一熱源取出的熱（Q_h-Q_c）可以完全變?yōu)楣?i>W而不產(chǎn)生其他的變化，如圖4-1（b）所示。這樣，我們可以用一個(gè)熱（Q_h-Q_c）轉(zhuǎn)化的功W的可逆熱機(jī)從低溫?zé)嵩次諢?i>Q_c傳向高溫?zé)嵩矗粺幔?i>Q_h-Q_c）又自動(dòng)完全轉(zhuǎn)化為功W，高溫?zé)嵩椿謴?fù)了原狀。如此循環(huán)，凈的結(jié)果相當(dāng)于熱Q_c自動(dòng)從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩炊鴽](méi)有引起其他變化，這個(gè)結(jié)論與克勞修斯表述是相反的，說(shuō)明假設(shè)是錯(cuò)誤的。

綜合以上歸謬法證明的結(jié)論得出，克勞修斯的熱傳遞方向的表述和開(kāi)爾文對(duì)功熱轉(zhuǎn)換方向的表述本質(zhì)上是一致的。