三、热力学第二定律的实质

         热力学第二定律的每一种表述都表明了一种过程的不可逆性。开尔文表述表明了功转变为热的过程的不可逆性,克劳修斯表述表明了热量从高温物体传向低温物体的过程的不可逆性。上面已经证明了这两种表述的等效性,这也就说明了这两种不可逆过程是互相联系的,只要其中一个过程是不可逆的,另一个过程也必定是不可逆的。实际上自然界中的一切与热现象有关的过程都是互相联系的,热力学第二定律既指出了两种过程的不可逆性,也就指出了自然界中的一切与热现象有关的过程的不可逆性。

         下面以气体自由膨胀的例子来说明这种联系。                 

图18-17

         设一个容器被隔板分为A和B两部分,A部分充有理想气体,B部分是真空,如图18-17(a)所示。当把隔板抽掉,A部分的气体将迅速地向真空的B部分膨胀,这就是气体的自由膨胀。经过一段时间后,气体将均匀地分布于整个容器,如图18-17(b)所示。现在大家用热力学第二定律证明,气体的这种自由膨胀过程是不可逆过程。假如这种过程是可逆的,则必然存在某种过程,通过这种过程,气体可以自动地由状态(b)返回状态(a)。所谓“自动地”,就是这种过程不引起外界的任何变化。大家设计一种装置,当气体自动收缩后,使系统与热源进行热接触,气体汲取热量Q, 作等温膨胀,从而对外界作功A,显然A = Q。然后气体又自动收缩,并重复上述过程。于是这样的气体系统就可以连续地从一个热源汲取热量,又连续地完全转变为对外界所作的功。但是,这违背了热力学第二定律的开尔文表述。因此不可能存在使气体自动收缩的过程,所以气体的自由膨胀过程必定是不可逆过程。

         大家还可以举出更多的例子,利用热力学第二定律来证明它们是不可逆过程。因此,大家可以得到这样的结论:热力学第二定律的实质,就在于揭示自然界中的一切与热现象有关的过程的不可逆性。

       
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