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  • 1 # 科技袁人袁嵐峰

    就目前所知,熱力學第二定律本身是一個基本定律,沒有其他理論能夠嚴格地推出它。當然,其他理論跟它沒有不可克服的矛盾,否則就至少有一方是錯的了。

    我們對熱力學第二定律正確性的信念,歸根結底是建立在大量實驗觀察的基礎上。迄今為止,沒有發現違反熱力學第二定律的現象。——這話可能要加個但書,對於大量粒子的體系是這樣,而粒子數很少的體系有可能違反熱力學第二定律,不過粒子數很少的體系的熵又是一個難以定義的量了。

    我們來稍微解釋一下這些要點。

    熱力學第二定律有好幾種描述方式。常見的一種是:孤立體系(跟外界既沒有物質交換,也沒有能量交換,這其實是個很強的條件)的熵永遠不會減小。

    還有一種是:不可能把熱量從低溫物體傳給高溫物體,而不引起其它變化。請注意後邊這一句,“而不引起其它變化”。單純的把熱量從低溫物體傳給高維物體,當然是可以的,空調就是幹這個的,但那一定在其他地方產生了某種變化。對熱力學第二定律的這種表述叫做“克勞修斯表述”。

    克勞修斯

    還有一種是:不可能從單一熱源取走熱量,把它完全轉化成機械能。也就是說,熱轉化成功的效率不可能達到100%。請注意,反過來的過程,即功轉化成熱,效率卻可以達到100%,摩擦生熱就是這樣的。機械能和電能之間,互相都可以以100%的效率轉換。對熱力學第二定律的這種表述叫做“開爾文表述”。

    開爾文

    因此,熱和功或者電在本質上就是不同“品位”的能量。機械能和電能是高品位的能量,熱是低品位的能量。高品位的能量可以完全轉化成低品位的能量,低品位的能量卻不可能完全轉化成高品位的能量。所以,整個宇宙中高品位的能量只能越來越少,不能越來越多。這正應了那句話:從善如登,從惡如崩!

    瞭解了熱力學第二定律是什麼,人們就很有興趣問,能不能從已知的力學規律(無論是牛頓力學還是量子力學)推出它。回答是:到目前為止,都不能嚴格地推出。甚至在某種意義上,還可以推出相反的結論,——當然對此也都有解釋,並沒有推翻熱力學第二定律。這件事叫做“龐加萊迴歸定理”,不過這個定理相當專業,就不能在這裡介紹了。

  • 2 # 神采奕奕迤邐而行

    我說的是我的思考,未經驗證。

    感覺上熱能是一個體系本身具有的能量,因此這個能量無法完全(100%)轉換為其他能量,因為一個體系不可能具有0能量。一種合理的想象是,熱能大致正比於體系內微觀粒子的平均動能。

    機械能、電能等能夠完全轉換為熱能是因為這些能量形式不是體系本身具有的能量,通常是外力(外部系統)作用到體系上的結果,因此可以完全轉化為熱能。

    熱能總是從高的部分轉移到低的部分,在由大量微粒構成的系統中尤其如此,一個很好的解釋就是這種趨向平均的分佈機率最大,這種機率和粒子數密切相關,在典型的宏觀系統中大到了一個不可思議的程度。

    這也是體系如果只有幾個粒子構成的時候,熱力學定律未必會被遵守的原因。

    以上只是個人的想法,再次說明沒有驗證,隨便看看就好。

  • 3 # 低熵製造機

    這個問題好,熱力學第二定律主要是基於大量實驗觀測的結果得到的基本定理。它主要包括兩種表述:

    克勞修斯表述:不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。

    開爾文表述:不可能從單一熱源吸收能量,使之完全變為有用功而不產生其他影響。

    這裡的其它影響指的是某種不可逆過程。我們知道熱力學第二定律又叫熵增定律。指的是絕熱系統整體的熵隨著時間只能增加或不變,不能減少。克勞修斯和開爾文表述的兩個過程都是一個熵減少的過程,這樣的過程是被熱力學第二定律禁止的。但是微妙的地方在於,熱力學第二定律並沒有嚴格地禁止它們發生。如果我們以給環境增加更多熵為代價,讓某個區域性的熵減少,這樣的過程是可以發生的。比如我們夏天開空調不就是個克勞修斯過程麼?(把熱量從低溫的室內傳遞給高溫的室外。)這個過程為什麼可以發生呢?因為系統發生其他影響,這個其他影響具體來說就是空調把大量電能消耗成了廢熱。透過把電能消耗成廢熱這個不可逆過程,給環境製造了很多很多額外的熵,從而換得室內的熵適當減少。

    總結,其他影響指的就是一個讓熵增加得更多的不可逆過程。這個不可逆過程增加的熵加上克勞修斯/開爾文過程減少的熵,發現系統的總熵還是增加的。

    另外值得一說的是,熱力學第二定律雖然不能嚴格地證明,但是有很多統計學上的證據讓人們相信熱力學第二定律是普適的。在統計學上要違背熱力學第二定律的機率非常的小。

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