熱力學第二定律的實質及其問題分析

作者:新風學術網

一、熱力學第二定律不同表述的實質

在高中物理中， 我們學習到熱力學第二定律存在兩種表述形式：第一， 開爾文的表述， 其認為不可能從單一的熱源吸取熱量， 並將這些熱量全部轉化為有用功， 而在此過程中不會產生任何影響。第二， 克勞修斯的表述， 其認為將熱量從低溫物體傳到高溫物體， 但不引起任何變化， 這種情況是不可能出現的。對這兩種表述， 我們可以總結出其實質， 即， 達爾文認為熱能不可能自發地全部轉化成有用功；克勞修斯認為熱量不可能自己從低溫物體向高溫物體傳送。

在高中物理的學習中， 我們了解到功可以自發地全部轉化為熱， 且熱量可自發的從高溫物體轉向低溫物體。根據這一點， 再結合達爾文和克勞修斯對熱力學第二定律的表述， 我們可以得出以下結論：功向熱的轉變過程是不可逆的， 且熱傳遞的過程同樣是不可逆的。再者， 我們可以這樣來看待熱力學第二定律的不同表述形式， 即在所有的熱現象中， 只要是與之有關的宏觀過程， 其實都具有不可逆性。在認識熱力學第二定律時， 我們必須牢牢的抓住這一點， 認清熱力學第二定律的本質， 才能掌握好熱力學相關知識。

二、熱力學第二定律的適用範圍

在克勞修斯將熱力學第二定律延伸到宇宙以外後， 其認為宇宙的溫度最後都會變成一樣， 且最終會實現熱平衡。在熱平衡狀態下， 宇宙就會逐漸向熱寂狀態發展。因此， 我們可以這樣來看待這種觀點：從哲學意義來看， 熱力學第二定律是在對宇宙圖像進行描述， 且此宇宙圖像處於一片死寂狀態， 根本就沒有任何差別。在熱寂說提出以後， 不少科學家對此持批判態度， 認為宇宙的熱寂死純屬無稽之談。科學家們之所以會否定熱寂說， 我想原因就在於熱力學第二定律的適用範圍是有限的， 其是在有限的時空中得出的結論， 所以只可能用於對宏觀系統進行研究， 延伸到宇宙外就不再有任何意義。

從上述的推理來看， 邏輯上是存在矛盾之處的， 如果按照上述論斷， 熱力學第二定律是可以用於對宇宙之外的系統進行研究的。因為熱力學第二定律的適用範圍是有限的宏觀系統， 而無數的有限宏觀系統卻能組成無限的宇宙， 因此， 熱力學第二定律也可用於對無限的宇宙進行研究。如果這一結論不正確， 那麼熱力學第二定律不能對無限的宇宙進行研究則是正確的。因此， 我們可以認為在一些有限系統內， 如果其時空是有限的， 那麼熱力學第二定律同樣不適用。

三、對熱力學第二定律的解釋

在高中物理的學習中， 我們知道一些物理科學家曾設想能夠製造出一種機器， 其吸收的熱量可來源於單一的熱源， 並將這些熱量全部轉變為有用功， 但不會產生任何影響， 這就是第二類永動機。顯然， 這種機器不會違背熱力學第一定律， 但卻與熱力學第二定律是矛盾的。也有科學家進行過以下計算：假設在地球表面上存在的海水有10億立方米， 將其作為單一的熱源， 如果對其進行降溫， 釋放出熱量， 即使降低的溫度只有0.25℃， 這些熱量也會轉化為一千億度電能， 這些電能夠全球使用一千年。但是， 根據熱力學第二定律， 根本不可能將海水作為單一的熱源， 所以熱效率為100%的熱機是不可能存在的。

我們再以分子動理論為依據， 對熱力學第二定律進行解釋。分子動理論認為大量分子有規則的運動稱之為做功， 大量分子的無規則運動稱之為熱運動。由此可見， 大量分子的無規則運動基本不可能變為有規則運動， 但有規則運動卻很有可能變為無規則運動。因此， 在一個不會受到外界因素影響的獨立系統中， 其內部可能存在自發過程， 但這個過程是方向是由概率小的狀態向概率大的狀態進行的。也就是說， 熱不可能自發的轉變為功。