T04 热力学第二定律

目标:说明热力学第二定律，并定义熵变。

在图T4中，可以看到，火焰产生的热气体在烟囱中升起，并扩散到周围环境中，与其他气体混合。因此，由烟囱冒出的热气体被冷却，同时周围的气体被加热，热量的散失自动产生。而相反的过程——环境中的热气体自动分离出来并回到烟囱中——却不会发生。

热力学第二定律定义了过程或事件发展的方向。凭着本能，我们觉得热量应该从热物体流向冷物体。

这个原理可借助熵和熵变的概念，用数学方法来表示。熵S是描述一个状态(在某种条件下)混乱度的函数。所以，当体系从一种状态改变到另一种状态时，熵变ΔS 表征体系混乱度的变化。

 

   一个过程中的熵变可定义为损失的热量ΔQ 除以绝对温度 T。绝对温度单位为开氏温标 K，与摄氏温标相差 273.15。即:

T (K) = t(°C) + 273.15.
(有时简化为273)

对图 T4 的例子，有:

在孤立体系中，熵变ΔS ≥ 0。 根据热力学第一定律，热气体损失的热量应等于冷气体获得的热量，而且热气体的绝对温度要比冷气 体高。从上面的等式可以看出:当热气体损失热量时(ΔQ 为负值)，ΔS 是正值;当冷气体与热气体温度 相等时，ΔS = 0，也就是说体系处于平衡状态。

以上讨论并不是说熵减少的过程不存在，但这样的过程只有在外部向所讨论体系提供能量的时候才会 发生，即系统不是孤立体系。

提示:
由浴池中冷热水的混合很容易说明热力学第二定律。每当向已装有冷水的浴池中注入热水时，热水自 发地与周围的冷水混合在一起。热水温度不断下降，同时冷水温度逐渐上升，直到达到所需温度。根据热 力学第二定律，相反的过程，即让已达到所需温度的水自发地分为热水区和冷水区是不可能的。