熱力學定律的討論


隨便說一點。
在氣體動理論(從物質分子結構和分子運動,研究基體效應)基礎上,再加以實驗的方法推動了熱力學(宏觀理論)的發展,這是一觀察和實驗為基礎,歸納整理得到的。
大量試驗證明,初末態相同的系統Q-A的值總是相等的,如此便知存在一態函數只與系統初末態相等,記為內能。(問題一:由於定義內能時考慮的是系統的變化,故內能的變化量才有實際意義,然而第九章中由經典統計理論得到分子每個自由度的平均動能相等=kT/2,如此便是宏觀理論與微觀理論的差異吧,內能的變化量是可以測得的,而內能的大小卻只能計算得到)
△E=Q-A,這也是能量轉化與守恆定律在熱學中的體現,吸收的熱量一部分用於對外做功,一部分用於自身內能增加,即熱一律。但是Q,A怎么提高到計算的高度上呢?A=體積功,易於計算。但是Q怎么算?第二節給出答案,定義熱容量,即構造出Q和T之間的關系,T容易測得,但是熱容量又怎么得到呢?這又得依賴於第九章的內能計算式,即E=1/2*(i+s)RT,通過熱容量的定義便使C量化。Q,A可計算后,熱一律就有大量應用。三個等值過程及一個絕熱過程這四個特殊過程均可量化計算。至此,便是前三節內容。
熱力學理論是在研究熱機工作的基礎上發展起來的。考慮一循環過程,由熱一律得A=Q1-Q2,定義效率η=A/Q1=1-Q2/Q1,此式對任何循環系統均成立。特殊的,卡諾循環(四個准靜態循環,無耗散力)是可逆循環,此時η=1-Q2/Q1=1-T2/T1,其逆過程為卡諾制冷機w=Q2/A=T2/(T1-T2)。此為第四節內容,卡諾熱機和制冷機也為熱二定律埋下伏筆。
1850,Clausius提出熱量不可能自動地從低溫物體傳向高溫物體。這對應卡諾制冷機,若A=0,則制冷效率為無窮大,低溫物體將無限冷,自然界是不存在的。1851,Kelvin提出不可能制成這樣一種循環動作的熱機,只從單一熱源吸收熱量並使之完全變為有用的功,若Q2等於零,η=100%,不存在的。所以熱力學第二定律是經驗定律,其等效表述有多種。同時熱二律反映自然宏觀過程方向性,克:熱傳導不可逆,開:功熱轉換不可逆,熱完全變為功,且系統與外界均復原是不可能的,即單熱源熱機不可能制成,兩條絕熱線不可能相交,等溫線和絕熱線也不可能有兩個交點。Clausius和Kelvin的表述是互相關聯,互相依存的,熱機和制冷機是互相關聯的。
經過上一段討論,一切宏觀熱力學過程的不可逆性都是相互依存的。應該存在某個共同判斷的准則來指明不可逆過程進行的方向,自發過程的不可逆性不取決於過程,取決於初末態。這就存在另一態函數,不是內能。因為內能無法決定不可逆過程進行的方向。當系統從初態到末態,該值也應只從初態變到末態,顯然內能是無法滿足的。Clausius首先引入此函數的形式並稱之為熵。熵的含義便存在了,即指明不可逆過程進行的方向。(問題二)
Clausius又是怎么計算熵的呢?依托卡諾定理,極限得到克勞修斯等式就不贅述了,即沿可逆循環積分,可逆等溫過程中熱溫比積分值為零。於是熱溫比沿可逆過程的積分值僅與初末態有關。推斷,存在一個狀態的單值函數,定義為熵。至此,克勞修斯熵的定義確定。
不可逆循環明日再述……

——Tsinghua Chen
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