热力学第二定律的教学释疑

杨端清

(汉川市第一高级中学 湖北 孝感 431600)

高中物理中的热力学第二定律，是教学的难点．热现象本身的复杂性和热力学第二定律表述的不唯一性，给教师和学生带来太多的困惑．有许多疑难问题，一些教师也难以理解通透，时常争论不休；或生吞活剥结论性语句，或妄自理解应用．最难理解的是开尔文表述，特别是“绝热膨胀”和“等温膨胀”，往往把几近想通了的思想又打回到原点．

笔者在长期教学中不断总结提炼．现进一步理清思路、鲜明观点、简化论据、择要剖析，促成此文，以就教于同行．

1 定律表述的多样性

热力学第二定律的表述多样．先看教材中的两种表述：

表述一(克劳修斯表述)：不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化．

表述二(开尔文表述)：不可能从单一热源吸取热使之完全变为功，而不引起其他变化．

因为改变物体的内能有两种方式：传热和做功，所以有对应的表述一和表述二．在这两种表述中都采用了“否定之否定”的方式，语句绕口，留下遐想和疑点颇多．

(1)两种表述中的“其他变化”分别指什么？

(2)表述一中，转移的热量是“完全”还是“一部分”？

(3)表述二中的“单一热源”，“完全变为功”，“引起其他变化”三者对应关系如何？

笔者认为，表述一中的“其他变化”应指双热源之外的其他物体“对系统做功现象”；而表述二中的“其他变化”是指除做功之外的“伴随现象”[2]．例如热机的“向冷库放热”，等温膨胀的“自身体积增大”．

为什么“等温膨胀”只有“单一热源”就能发生，并且把吸取的热量“全部”做功；而热机必需是“双热源”，却只能“部分”做功？这里的区别在于是“单向过程”，还是“循环过程”．“等温膨胀”是一个单向过程，热机是一个循环过程．热机完成一次做功后要回到初态，为下一次重复做功作准备．

由此看来，在允许有“其他变化”的情况下，表述一中可“完全”转移热量；表述二中可以“完全”做功，也可以“部分”做功，既可以是“单一热源”，也可以是“双热源”．“单一热源”对应“完全做功”，“双热源”对应“部分做功”，都有“其他变化”发生．

高中物理新课标教材给出了较简明的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但仍然是否定句式.开尔文表述与旧教材相同，无奈于肯定句式的冗长与不便．

2 定律的方向性

所谓热现象的方向性，就是指自然发生的热现象有明确的进行方向，通常称为正向过程．正向过程具有“自发性”，又叫不可逆性，如“高温向低温传热”“机械能转化为内能”“热扩散现象”等都是正向过程，反过来，“由低温向高温传热”“把内能转化为机械能”“将扩散物质回收或分离”是逆向过程．

热力学第二定律没有直接说明正向过程的自发性，却站在逆向过程的角度，表明了逆向过程在一定条件下的可行性．用“引起其他变化”隐含表示，逆向过程一定是有第三者(工作物质)参与的“强制”行为(表述一)或“伴随”行为(表述二)．

知道热现象正向过程的方向性固然重要，但逆向过程的可行性条件的研究更具魅力．这也正是热力学第二定律以逆向过程立意表述的原因．

3 定律本质的现实性

在研究气体的性质时，气体“绝热膨胀”是能量转化的理想模型．从热力学第一定律ΔE=Q+W的角度分析，是有实际意义的．“绝热膨胀”中Q=0，ΔE=W，表明气体的内能减少可以全部转化为对外做功，且只有一个热源，不需要第三者帮助.膨胀的原因仅仅是气体对容器壁的压力大于外界压力，这一过程可以自发地进行．

绝热过程是指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程，包括绝热膨胀和绝热压缩．现实中不存在真正意义上的绝热过程，绝热过程只是一种近似.所以有时也称为绝热近似.散热现象是不可避免的．

高压气瓶放气时的降温现象，可视为“绝热膨胀”降温，忽略少量的“散热现象”，并不是否定散热现象的存在．著名的卡诺热机之所以叫“理想循环”热机，其结构简单，只有两个热源和四个过程；两个等温过程与两个热源接触，供吸放热，两个“绝热过程”与外界无热交换.使计算热机效率简单方便，效率只由两个热源的温度决定而与工作物质无关．

也就是说，在讨论热现象能量变化大小关系时，可以简化为理想模型，但在讨论热现象进行方向时，要考虑现实性．所以在做有关试题时，要看清楚题目考查的是热力学第一定律，还是热力学第二定律．

正如力学中的“光滑”模型，客观现实不存在，机械做功过程中的摩擦生热不可避免．再如万有引力定律指出，任何两个有质量的物体之间都有引力，而我们身边的物体之间的万有引力总是被忽略不计，这并不是否定万有引力的存在．

4 热机效率和制冷机致冷效能的不完全性

首先应当知道，热机与制冷机都必须是“可循环”的过程，但又不能是完全按原路返回的过程．热力学第二定律的两种表述所体现的热现象，可以是单一过程，不一定是循环过程．因此，表述一不能简单地叫做“制冷机定律”；表述二也不能叫做“热机定律”．

其次，热机是把内能转化为机械功，伴随着向低温热源放热．制冷机是把低温热源处的热量转移到高温热源处，必须有外力做功的帮助．所以热机和制冷机都有“两个热源”.热机的效率不能达到100%，即效率的“不完全性”；制冷机的致冷效能不可能为无穷大，也可以理解为“不完全性”.

在外界做功的情况下，从低温热源处吸的热量可以全部转移到高温热源处，这种能量转移的“完全性”与制冷机效能的“不完全性”不矛盾，因为计算效能时要考虑到外界对系统所做的无用功．

日常生活中用的电冰箱和空调机是制冷机，汽车的燃油发动机是热机．热机和制冷机都是热现象逆向过程的应用，而电热水壶和电烤箱的工作原理是热现象的正向过程．

5 第二类永动机与第一类永动机的差异性

第一类永动机是不消耗能量又源源不断地做功的机器，违反了能量守恒定律．第二类永动机是能够从单一热源吸收热量全部用来做功，而不引起其他变化的机器，违反了热力学第二定律，但没有违反能量守恒定律．

在教学中遇到的相关问题是，如何判断一个机器的设计模型是否为永动机？是哪类永动机？这需要弄清两类永动机的共性和差异性．

两类永动机的共同特点是：都涉及能量转化，都不需要外来帮助，都能自动循环工作．它们的差别在于“是否涉及到热现象逆向过程”．第一类永动机甚至可以不涉及热现象，例如著名的达·芬奇的永动机“重球活动杆转轮机”、斯特尔的永动机“回流水槽水轮机”．第二类永动机一定涉及到热现象的逆向过程，是不可能实现的“单源热机”，如美国发明家甘姆埃的永动机“液态氨零度发动机”．

参考资料

1 人民教育出版社物理室.普通高中课程标准实验教科书物理·选修3-3.北京：人民教育出版社，2007

2 李椿，章立源，钱尚武.热学.北京：人民教育出版社，1978

3 马本堃，高尚惠，孙煜.热力学与统计物理学.北京：人民教育出版社，1980

4 程杰，赵梅.热力学第二定律的两个问题释疑.数理天地，2010(5)