熱力學(xué)第二定律的教學(xué)釋疑

楊端清

(漢川市第一高級(jí)中學(xué) 湖北 孝感 431600)

高中物理中的熱力學(xué)第二定律，是教學(xué)的難點(diǎn)．熱現(xiàn)象本身的復(fù)雜性和熱力學(xué)第二定律表述的不唯一性，給教師和學(xué)生帶來太多的困惑．有許多疑難問題，一些教師也難以理解通透，時(shí)常爭論不休；或生吞活剝結(jié)論性語句，或妄自理解應(yīng)用．最難理解的是開爾文表述，特別是“絕熱膨脹”和“等溫膨脹”，往往把幾近想通了的思想又打回到原點(diǎn)．

筆者在長期教學(xué)中不斷總結(jié)提煉．現(xiàn)進(jìn)一步理清思路、鮮明觀點(diǎn)、簡化論據(jù)、擇要剖析，促成此文，以就教于同行．

1 定律表述的多樣性

熱力學(xué)第二定律的表述多樣．先看教材中的兩種表述：

表述一(克勞修斯表述)：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化．

表述二(開爾文表述)：不可能從單一熱源吸取熱使之完全變?yōu)楣?，而不引起其他變化?/p>

因?yàn)楦淖兾矬w的內(nèi)能有兩種方式：傳熱和做功，所以有對應(yīng)的表述一和表述二．在這兩種表述中都采用了“否定之否定”的方式，語句繞口，留下遐想和疑點(diǎn)頗多．

(1)兩種表述中的“其他變化”分別指什么？

(2)表述一中，轉(zhuǎn)移的熱量是“完全”還是“一部分”？

(3)表述二中的“單一熱源”，“完全變?yōu)楣Α保耙鹌渌兓比邔?yīng)關(guān)系如何？

筆者認(rèn)為，表述一中的“其他變化”應(yīng)指雙熱源之外的其他物體“對系統(tǒng)做功現(xiàn)象”；而表述二中的“其他變化”是指除做功之外的“伴隨現(xiàn)象”[2]．例如熱機(jī)的“向冷庫放熱”，等溫膨脹的“自身體積增大”．

為什么“等溫膨脹”只有“單一熱源”就能發(fā)生，并且把吸取的熱量“全部”做功；而熱機(jī)必需是“雙熱源”，卻只能“部分”做功？這里的區(qū)別在于是“單向過程”，還是“循環(huán)過程”．“等溫膨脹”是一個(gè)單向過程，熱機(jī)是一個(gè)循環(huán)過程．熱機(jī)完成一次做功后要回到初態(tài)，為下一次重復(fù)做功作準(zhǔn)備．

由此看來，在允許有“其他變化”的情況下，表述一中可“完全”轉(zhuǎn)移熱量；表述二中可以“完全”做功，也可以“部分”做功，既可以是“單一熱源”，也可以是“雙熱源”．“單一熱源”對應(yīng)“完全做功”，“雙熱源”對應(yīng)“部分做功”，都有“其他變化”發(fā)生．

高中物理新課標(biāo)教材給出了較簡明的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但仍然是否定句式.開爾文表述與舊教材相同，無奈于肯定句式的冗長與不便．

2 定律的方向性

所謂熱現(xiàn)象的方向性，就是指自然發(fā)生的熱現(xiàn)象有明確的進(jìn)行方向，通常稱為正向過程．正向過程具有“自發(fā)性”，又叫不可逆性，如“高溫向低溫傳熱”“機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能”“熱擴(kuò)散現(xiàn)象”等都是正向過程，反過來，“由低溫向高溫傳熱”“把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”“將擴(kuò)散物質(zhì)回收或分離”是逆向過程．

熱力學(xué)第二定律沒有直接說明正向過程的自發(fā)性，卻站在逆向過程的角度，表明了逆向過程在一定條件下的可行性．用“引起其他變化”隱含表示，逆向過程一定是有第三者(工作物質(zhì))參與的“強(qiáng)制”行為(表述一)或“伴隨”行為(表述二)．

知道熱現(xiàn)象正向過程的方向性固然重要，但逆向過程的可行性條件的研究更具魅力．這也正是熱力學(xué)第二定律以逆向過程立意表述的原因．

3 定律本質(zhì)的現(xiàn)實(shí)性

在研究氣體的性質(zhì)時(shí)，氣體“絕熱膨脹”是能量轉(zhuǎn)化的理想模型．從熱力學(xué)第一定律ΔE=Q+W的角度分析，是有實(shí)際意義的．“絕熱膨脹”中Q=0，ΔE=W，表明氣體的內(nèi)能減少可以全部轉(zhuǎn)化為對外做功，且只有一個(gè)熱源，不需要第三者幫助.膨脹的原因僅僅是氣體對容器壁的壓力大于外界壓力，這一過程可以自發(fā)地進(jìn)行．

絕熱過程是指任一氣體與外界無熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過程，包括絕熱膨脹和絕熱壓縮．現(xiàn)實(shí)中不存在真正意義上的絕熱過程，絕熱過程只是一種近似.所以有時(shí)也稱為絕熱近似.散熱現(xiàn)象是不可避免的．

高壓氣瓶放氣時(shí)的降溫現(xiàn)象，可視為“絕熱膨脹”降溫，忽略少量的“散熱現(xiàn)象”，并不是否定散熱現(xiàn)象的存在．著名的卡諾熱機(jī)之所以叫“理想循環(huán)”熱機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，只有兩個(gè)熱源和四個(gè)過程；兩個(gè)等溫過程與兩個(gè)熱源接觸，供吸放熱，兩個(gè)“絕熱過程”與外界無熱交換.使計(jì)算熱機(jī)效率簡單方便，效率只由兩個(gè)熱源的溫度決定而與工作物質(zhì)無關(guān)．

也就是說，在討論熱現(xiàn)象能量變化大小關(guān)系時(shí)，可以簡化為理想模型，但在討論熱現(xiàn)象進(jìn)行方向時(shí)，要考慮現(xiàn)實(shí)性．所以在做有關(guān)試題時(shí)，要看清楚題目考查的是熱力學(xué)第一定律，還是熱力學(xué)第二定律．

正如力學(xué)中的“光滑”模型，客觀現(xiàn)實(shí)不存在，機(jī)械做功過程中的摩擦生熱不可避免．再如萬有引力定律指出，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間都有引力，而我們身邊的物體之間的萬有引力總是被忽略不計(jì)，這并不是否定萬有引力的存在．

4 熱機(jī)效率和制冷機(jī)致冷效能的不完全性

首先應(yīng)當(dāng)知道，熱機(jī)與制冷機(jī)都必須是“可循環(huán)”的過程，但又不能是完全按原路返回的過程．熱力學(xué)第二定律的兩種表述所體現(xiàn)的熱現(xiàn)象，可以是單一過程，不一定是循環(huán)過程．因此，表述一不能簡單地叫做“制冷機(jī)定律”；表述二也不能叫做“熱機(jī)定律”．

其次，熱機(jī)是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，伴隨著向低溫?zé)嵩捶艧幔评錂C(jī)是把低溫?zé)嵩刺幍臒崃哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩刺帲仨氂型饬ψ龉Φ膸椭詿釞C(jī)和制冷機(jī)都有“兩個(gè)熱源”.熱機(jī)的效率不能達(dá)到100%，即效率的“不完全性”；制冷機(jī)的致冷效能不可能為無窮大，也可以理解為“不完全性”.

在外界做功的情況下，從低溫?zé)嵩刺幬臒崃靠梢匀哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩刺?，這種能量轉(zhuǎn)移的“完全性”與制冷機(jī)效能的“不完全性”不矛盾，因?yàn)橛?jì)算效能時(shí)要考慮到外界對系統(tǒng)所做的無用功．

日常生活中用的電冰箱和空調(diào)機(jī)是制冷機(jī)，汽車的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)是熱機(jī)．熱機(jī)和制冷機(jī)都是熱現(xiàn)象逆向過程的應(yīng)用，而電熱水壺和電烤箱的工作原理是熱現(xiàn)象的正向過程．

5 第二類永動(dòng)機(jī)與第一類永動(dòng)機(jī)的差異性

第一類永動(dòng)機(jī)是不消耗能量又源源不斷地做功的機(jī)器，違反了能量守恒定律．第二類永動(dòng)機(jī)是能夠從單一熱源吸收熱量全部用來做功，而不引起其他變化的機(jī)器，違反了熱力學(xué)第二定律，但沒有違反能量守恒定律．

在教學(xué)中遇到的相關(guān)問題是，如何判斷一個(gè)機(jī)器的設(shè)計(jì)模型是否為永動(dòng)機(jī)？是哪類永動(dòng)機(jī)？這需要弄清兩類永動(dòng)機(jī)的共性和差異性．

兩類永動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)是：都涉及能量轉(zhuǎn)化，都不需要外來幫助，都能自動(dòng)循環(huán)工作．它們的差別在于“是否涉及到熱現(xiàn)象逆向過程”．第一類永動(dòng)機(jī)甚至可以不涉及熱現(xiàn)象，例如著名的達(dá)·芬奇的永動(dòng)機(jī)“重球活動(dòng)桿轉(zhuǎn)輪機(jī)”、斯特爾的永動(dòng)機(jī)“回流水槽水輪機(jī)”．第二類永動(dòng)機(jī)一定涉及到熱現(xiàn)象的逆向過程，是不可能實(shí)現(xiàn)的“單源熱機(jī)”，如美國發(fā)明家甘姆埃的永動(dòng)機(jī)“液態(tài)氨零度發(fā)動(dòng)機(jī)”．

參考資料

1 人民教育出版社物理室.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·選修3-3.北京：人民教育出版社，2007

2 李椿，章立源，錢尚武.熱學(xué).北京：人民教育出版社，1978

3 馬本堃，高尚惠，孫煜.熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué).北京：人民教育出版社，1980

4 程杰，趙梅.熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)問題釋疑.數(shù)理天地，2010(5)