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热力学

热力学第二定律:热是有方向的

热自发地从热到冷。开尔文-普朗克(η<1)与克劳修斯(冰箱需 W)是同一定律;真实过程不可逆

第一定律只负责把能量配平,却不说过程往哪个方向走。第二定律补上了这个空白:热会自发地从热流向冷,任何热机都无法把热全部变成功,而真实过程只朝一个方向进行。

拖动左块的温度。热总是从较热的一侧流向较冷的一侧,绝不会自己反过来。所以热咖啡总是朝室温冷下去,绝不会自发地把较凉房间里的暖意吸回来重新变热。

开尔文-普朗克表述:任何热机都无法把吸入的热全部变成功。必须排出一些 QC,所以 η < 1。所以,尽管海洋蕴藏着巨量的热能,船却无法仅靠冷却海水、把那份热变成功来自行前进,因为第二定律禁止只依赖单一热源的热机。切换不可能的完美热机与真实热机。

克劳修斯表述:热不会自己从冷流到热。冰箱能做到,但必须付出功 W。热泵正是用同一招来给房子供暖:投入少量电功,从寒冷的室外空气中收集热量,送进室内的热比单靠电功还多,所以它比普通电暖器更省电。切换被禁止的流动与真实的冰箱。

把气体放入空着的一半,它会扩散填满箱子,却绝不会自己再聚回一侧。拖动看它扩散——真实过程有时间之箭。其实第一定律并不禁止气体重新聚拢,每一次分子碰撞在时间倒流下也照样成立,只是那铺散开的排布拥有多得压倒性的微观状态数,所以重新聚拢仅仅因概率极小而从不发生。

同一条定律有三张面孔:热往下流,热机要弃掉一些热,冰箱需要功才能把热抬上去。切换这三者。下一章用卡诺循环把这个极限精确地钉住,再下一章给它取个名字——熵。这三张面孔其实是同一条禁止世界总熵下降的定律,而熵正是把这三者一并度量的那一本账。

实际应用总结一下:第二定律规定了能量变化的方向。热自发地从热流向冷(开尔文-普朗克:无法把热全部变成功,所以 η < 1),而把热从冷抬到热要付出功(克劳修斯)。两种表述是同一定律的两张面孔,而自由膨胀这类真实过程是不可逆的,给了时间一个方向。下一章沿着这个极限走向卡诺循环——极限在那里被最好地逼近——再走向把这一切统一为一个量的熵。
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