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热力学第二定律

1850

Sadi Carnot
Rudolf Clausius
William Thomson (Lord Kelvin)

（图片仅供参考）

第二定律引入了熵的概念，并定义了自发过程的方向。它可以有多种表述方式，但一个关键结论是：孤立系统的总熵永远不会随时间减少。这条定律解释了“时间之箭”现象，以及为什么某些过程是不可逆的，例如热量会自发地从高温物体流向低温物体。

第二定律是科学中最深刻的原理之一。其最早的表述之一是克劳修斯表述：“热量不可能从较冷的物体传递到较热的物体而不伴随其他相关的变化。”另一个表述是开尔文-普朗克表述：“不可能设计出一种循环运行的装置，其唯一作用是从单一热源吸收热能并输出等量的功。”这两个表述都否定了第二类永动机的存在。

The law’s novelty was the introduction of irreversibility into fundamental physics. While the First Law deals with energy conservation, the Second Law deals with energy quality and its inevitable degradation to less useful forms (waste heat). Ludwig Boltzmann later provided a statistical interpretation, defining entropy ([latex]S[/latex]) as a measure of the number of possible microscopic arrangements (microstates) that correspond to a system’s observed macroscopic state. The formula [latex]S = k_B \ln W[/latex] connects entropy to statistical probability, explaining that systems tend to evolve towards their most probable (highest entropy) state.

活力, 熵, 热处理, 流程优化, 可靠性工程, 统计分析, 可持续发展, 热力学

UNESCO Nomenclature: 2212

热力学、统计物理学和凝聚态物质

类型

抽象系统

中断

革命

用法

广泛使用

前体

Sadi Carnot’s work on the motive power of fire and the ideal heat engine cycle
对蒸汽机固有低效率的观察
直觉上认为热量不会自发地从冷流向热流
拉普拉斯等人发展了概率论和统计学

应用程序

高效热机和制冷机的设计（卡诺效率）
化学工程中预测反应自发性
信息论中，香农熵是信息内容的度量
宇宙学（宇宙“热寂”假说）
理解无序和相变的材料科学

专利：

潜在创新理念

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与以下概念相关：热力学第二定律、熵、不可逆性、时间之箭、热机、克劳修斯表述、开尔文-普朗克表述、无序性、统计力学、自发性。

历史背景

理想气体的内能和焓

对于完全气体，内能（[latex]U[/latex]）和焓（[latex]H[/latex]）仅是温度的函数。它们的变化由 [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] 和 [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex] 给出，其中 [latex]c_v[/latex] 和 [latex]c_p[/latex] 分别是恒容和恒压下的比热，并假定为常数。.

粘弹性

粘弹性是指材料在变形时同时表现出粘性和弹性的特性。粘性材料（例如蜂蜜）在施加应力时，能够抵抗剪切流，并且应变随时间呈线性变化。弹性材料（例如橡皮筋）在拉伸时会变形，一旦应力消除就会迅速恢复到原始状态。粘弹性材料兼具这两种特性。

升华焓

升华焓（[latex]/Delta H_{/text{sub}}[/latex]）是在给定温度和压力下将一摩尔物质从固体转化为气体所需的热量。根据赫斯定律，由于焓是一种状态函数，因此这种能量变化是熔化焓（[latex]/Delta H_{/text{fus}}[/latex]）和汽化焓（[latex]/Delta H_{/text{vap}}[/latex]）之和。.

热力学第二定律

完美的气体模型

完全气体是一种气体理论模型，其中忽略了分子间作用力，并假定比热容（[latex]C_P[/latex] 和 [latex]C_V[/latex]）随温度变化而恒定不变。这大大简化了热力学计算。它是理想气体的一种特殊情况，在理想气体中，比热会随温度变化，因此它是一种约束性更强的模型。.

理想气体定律（统计形式）

理想气体定律的统计力学公式用气体的微观特性来表达这种关系。它通过波尔兹曼常数（[latex]k_B[/latex]）将压力（[latex]P[/latex]）和体积（[latex]V[/latex]）与粒子总数（[latex]N[/latex]）和绝对温度（[latex]T[/latex]）联系起来：[latex]PV = Nk_BT[/latex]。.

汤姆森效应

汤姆逊效应描述了载流导体在沿其长度方向存在温度梯度时的加热或冷却现象。当电流流经具有温度梯度的材料时，会产生或吸收热量。单位长度的产热率为 [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex]，其中 [latex]\mathcal{K}[/latex] 为汤姆森系数。.

1845

1850

1851

1842

1847

1850

1851

迈尔关系（热力学）

梅耶关系将完全气体的比热与气体比常数（[latex]R_s[/latex]）联系起来。关系式为 [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]。对于摩尔比热（[latex]C_p[/latex] 和 [latex]C_v[/latex]），关系式为 [latex]C_p - C_v = R[/latex]，其中 [latex]R[/latex] 为通用气体常数。这表明 [latex]c_p[/latex] 始终大于 [latex]c_v[/latex]。.

能量守恒

一个基本原理，说明一个孤立系统的总能量随着时间的推移保持不变。能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式，例如从势能转化为动能。在经典力学中，对于只有保守力的系统，总机械能 [latex]E = T + V[/latex] 是守恒的。

粘度的温度依赖性

对于牛顿流体，粘度是温度和压力的函数，而非剪切速率的函数。在液体中，粘度会随着温度升高而显著降低，因为更高的热能使分子更容易克服分子间的内聚力。相反，在气体中，粘度会随着温度升高而增加，因为分子碰撞频率越高，速度越高，动量传递也越大。

热力学第一定律

第一定律是关于能量守恒的声明。它假定一个封闭系统的内能变化（[latex]\Delta U[/latex]）等于提供给系统的热量（[latex]Q[/latex]）减去系统对周围环境所做的功（[latex]W[/latex]）。支配方程为 [latex]\Delta U = Q - W[/latex]。这一定律将热、功和内能联系起来，将热确定为一种能量传递形式。.

化学平衡催化剂

催化剂通过提供活化能较低的替代反应途径，平等地提高正向和逆向反应的速率。虽然催化剂可以使体系更快地达到平衡，但它不会改变平衡本身的位置。反应物和产物的平衡浓度以及平衡常数K的值保持不变。

理想气体定律（摩尔形式）

理想气体定律是假设理想气体的状态方程，近似于许多气体在各种条件下的行为。摩尔形式通过通用气体常数（[latex]R[/latex]）将压强（[latex]P[/latex]）、体积（[latex]V[/latex]）、以摩尔为单位的物质的量（[latex]n[/latex]）和绝对温度（[latex]T[/latex]）联系起来：[latex]PV = nRT[/latex]。.

克劳修斯-克拉珀龙关系

克劳修斯-克拉皮隆关系描述了处于相变阶段的物质（如液体和蒸汽）的压力和温度之间的关系。对于水蒸气，它表明饱和蒸汽压随温度呈指数增长。近似形式为 [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex]，其中 L 为潜热。.