熱力學第二定律

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所有自然界發生的物理過程都只能單向進行，不能反向進行，這通常被稱為不可逆過程。芒果一旦脫離果柄自由落到地上，就再也不會向上移動。一本書被我們推了一下，然後停了下來，也永遠不會再回到我們身邊。如果我們用一個高溫物體（熱物體）接觸一個低溫物體（冷物體），熱量自然會從高溫物體流向低溫物體。我們從未見過熱量從低溫物體流向高溫物體的逆過程。如果熱量從低溫物體流向高溫物體，那麼低溫物體會變得更冷，高溫物體會變得更熱。但實際上並非如此。許多不可逆過程看似各不相同，但它們都涉及能量形式的改變以及能量從一個物體到另一個物體的轉移。

例如，一場強烈的地震導致建築物倒塌（建築物倒塌是由於地震波攜帶的能量造成的）。你看過倒塌的建築物各部分重新拼合，恢復原來的樣子嗎？或者，例如，一個玻璃杯掉到地上摔碎了……你有看過散落在地上的玻璃碎片重新拼合，形成一個完整的玻璃嗎？從來沒有發生過……還有很多其他例子。

為了解釋只能單向發生的熱力學過程（不可逆過程），科學家提出了熱力學第二定律。熱力學第二定律解釋了宇宙中哪些過程可以發生，哪些過程不可能發生。一位名叫R.J.E.克勞修斯（1822-1888）的科學家曾經做出以下陳述：

熱會自發性地從高溫物體傳遞到低溫物體；熱不會自發性地從低溫物體傳遞到高溫物體（熱力學第二定律－克勞修斯表述）。

克勞修斯表述是熱力學第二定律的一種特殊表述。之所以稱之為特殊表述，是因為它只適用於熱傳遞這個過程。由於該表述不涉及其他過程，我們需要一個更一般的表述。熱力學第二定律一般表述的發展部分是基於熱機的研究。因此，我們將首先討論熱機。

熱機

我們使用的能源大部分都來自石油、天然氣和煤炭中所含的化學勢能。這些化學位能不能直接利用，必須先燃燒才能發揮作用。通常，燃燒化石燃料（石油、天然氣和煤炭）會產生熱量。熱量可以直接用於烹調食物和取暖。要移動物體（例如，移動車輛），我們必須將熱能轉換為動能或機械能（機械能 = 位能 + 動能）。將機械能轉換為熱能非常容易，但將熱能轉換為機械能卻很困難。試試摩擦你的手掌…你的手掌會很熱，對吧？當我們摩擦手掌時（我們做了功），機械能就轉換為了熱能。這個過程非常容易……即使是無限的熱量也可以透過做功產生。但反過來，也就是利用熱能做功，卻很困難。

利用熱能做功的裝置直到1700年才被發明。這種裝置就是蒸氣機。蒸汽機最初被用於煤礦抽水。值得注意的是，蒸汽機的首次應用發生在科學家們認識到熱能實際上是由於溫差而傳遞的能量之前（熱力學第一定律尚未提出）。

當時蒸汽機的使用很可能是基於人們的日常經驗，即蒸汽可以驅動物體。蒸汽機被認為是熱機（熱機是指將熱能轉換為機械能的裝置）。如今，蒸汽機被用於發電。現代熱機則是內燃機（例如汽車引擎、摩托車引擎等）。

熱機的基本原理是：只有當熱量從高溫區域流向低溫區域時，才能將其轉換為機械能。在這個過程中，部分熱量轉化為機械能（一部分熱量被用來做功），而部分熱量則被釋放到低溫區域。熱機中的能量轉換和能量傳遞過程如圖所示。

高溫（T_H）和低溫（T_L也稱為引擎工作溫度。從高溫流出的熱量以符號 Q 表示。_H而釋放到低溫處的熱量則以符號 Q 表示。_L. 當水從高溫處流向低溫處時，部分Q_H 轉換為機械能（用於做功），其中一部分以Q的形式釋放出來。_L實際上，我們真心希望所有Q_H 可以轉換成 W，但日常經驗顯示這是不可能的。總是會有一些熱量損失。因此，基於能量守恆定律，可以得出結論：Q_H = W + Q_L.

現在讓我們來回顧一下常用的熱機，它能將熱能轉換為機械能。要注意的是，我們這裡只討論能夠連續做功的熱機。要實現連續做功，熱量必須持續地從高溫區域流向低溫區域。如果熱隻流動一次，那麼熱機所做的功只能做一次（產生的機械能會非常小）。因此，這種情況下熱機無法得到最佳利用。只有當熱機能夠連續做功時，才能達到最佳利用。換句話說，熱機產生的機械能足以驅動物體移動。

蒸氣機

蒸汽機利用水蒸氣作為傳熱介質。蒸汽是蒸汽機的工作介質。蒸汽機分為兩種：往復式蒸汽機和汽輪蒸汽機（蒸汽渦輪機）。它們的結構略有不同，但都具有相似之處：都使用燃燒石油、天然氣、煤炭或核能加熱的蒸汽。

往復式蒸氣機

容器中的水通常在高壓下加熱。由於加熱壓力高，沸騰過程發生在高溫下。溫度與壓力成正比。蒸氣溫度越高，蒸氣壓越大。這種高溫高壓蒸汽通過入口閥，膨脹並推動活塞。隨著蒸汽膨脹，它推動活塞向右移動。

蒸氣中的部分熱能轉換為動能。當活塞向右運動時，與活塞相連的輪子旋轉（1）。旋轉半圈後，輪子將活塞推回原位（2）。當活塞向左移動時，進水閥會自動關閉，排氣閥自動打開。蒸汽在冷凝器中冷凝成露水。然後，冷凝器中的水被泵回容器再次煮沸。如此往復……由於這個過程不斷重複，活塞不斷地向右和向左移動。由於活塞不斷地向右和向左運動，輪子也不斷地旋轉。輪子的旋轉通常用於移動物體。

蒸汽渦輪機

蒸汽渦輪機的工作原理與往復式蒸汽機基本相同。差別在於，往復式蒸汽機使用活塞，而蒸汽渦輪機使用渦輪。在往復式蒸汽機中，熱會先轉化為活塞的平動動能。之後，活塞的平動動能轉換為旋轉輪的轉動動能。在蒸汽渦輪機中，熱量直接轉化為渦輪的轉動動能。渦輪的旋轉是由於壓力差造成的。葉片上方蒸氣的溫度遠高於葉片下方蒸氣的溫度。葉片是位於渦輪中心的薄板。溫度與壓力成正比。由於葉片上方蒸氣的溫度高於葉片下方蒸氣的溫度，因此葉片上方的蒸氣壓力大於葉片下方的壓力。這種壓力差使蒸汽向下推動葉片，從而帶動渦輪旋轉。渦輪的旋轉方向如圖所示。

值得注意的是，蒸汽機的工作原理是基於上述能量傳遞圖。在這種情況下，機械能可以透過熱量從高溫物體或區域流向低溫物體或區域來產生。因此，溫差對於蒸汽機至關重要。

如果你仔細觀察往復式蒸汽機的工作原理，你會發現即使沒有溫差（沒有冷凝器或幫浦），活塞仍然可以左右移動。活塞之所以能向右移動，是因為高溫高壓蒸氣的膨脹。在這種情況下，蒸氣中的部分熱量轉化為活塞的平動動能。活塞的平動動能隨後轉換為旋轉輪的轉動動能。旋轉半圈後，輪子推動活塞向左運動。當輪子推動活塞向左移動時，輪子的轉動動能再次轉換為活塞的平動動能。隨著活塞向左運動，它將汽缸內的蒸氣排出。同時，排氣閥打開。

因此，活塞推動的蒸汽會將其推向排氣閥下方。現在，如果排氣閥下方蒸汽的溫度等於活塞推動的蒸汽的溫度，那麼活塞的所有平動動能都將轉化為蒸汽的內能。內能與溫度成正比。如果蒸氣的內能增加，蒸氣的溫度也會升高。溫度與壓力成正比。如果蒸氣的溫度升高，蒸氣的壓力也會升高。因此，經由排氣閥排出的蒸氣壓力等於經由進氣閥進入的蒸氣壓力。活塞將繼續左右移動，但不會再有任何動能可以利用（不會產生任何功）。因此，活塞在膨脹過程（活塞向右移動）中獲得的動能將在壓縮過程（活塞向左移動）中返還給蒸汽。

由此得出結論：蒸汽機中仍需要溫差。蒸汽機中的溫差可以透過使用冷凝器來實現。當排氣閥下方的蒸汽溫度和壓力遠低於汽缸內蒸汽的溫度和壓力時，活塞向左移動時，活塞對蒸汽施加的壓力遠小於活塞向右運動時蒸汽對活塞施加的壓力。換句話說，活塞對蒸汽所做的功遠小於蒸汽對活塞所做的功。因此，只有一小部分活塞的動能會回到蒸氣中。由此，總動能或總功得以產生。這部分總動能用於驅動物體運動。

內燃機

摩托車和汽車引擎都是內燃機的例子。之所以稱為內燃機，是因為燃燒過程發生在封閉的汽缸內。內燃機是利用熱力學第一定律中闡述的絕熱壓縮和膨脹原理進行工程設計的成果。

我們只討論以汽油和柴油為燃料的內燃機。汽油和柴油都是石油產品，因此具有化學勢能。汽油和柴油中的化學勢能首先透過燃燒過程轉化為熱能。燃燒產生的熱能隨後轉化為機械能。正是這種機械能使摩托車或汽車能夠行駛。汽油引擎的循環稱為奧托循環，而柴油引擎的循環稱為柴油循環。循環是一個可逆的熱力學過程。我們先來討論一下奧托循環。

奧托循環

這是一張四衝程內燃機的示意圖。空氣和汽油蒸氣的混合物從化油器流入汽缸，活塞向下移動（進氣行程）。汽缸內的空氣和汽油蒸氣混合物在活塞向上移動時被絕熱壓縮（壓縮衝程）。由於是絕熱壓縮，混合物的溫度和壓力都會升高。同時，火星塞點燃混合物。燃燒過程中，氣體的溫度和壓力會進一步升高。高溫高壓的氣體膨脹並推動活塞向下運動（膨脹衝程）。燃燒後的氣體經由排氣閥排出，進入排氣管（排氣行程）。進氣閥再次打開，四個衝程循環往復。

值得注意的是，絕熱壓縮衝程的目的是提高空氣-汽油混合物的溫度和壓力。高壓燃燒會產生極高的溫度和壓力。因此，膨脹過程中產生的推力（F = PA）非常大。這使得摩托車或汽車引擎動力更強勁。即使沒有壓縮，火星塞產生火花時，空氣-汽油混合物也能點燃。然而，燃燒氣體的溫度和壓力並不高，因此產生的推力也很小。結果，引擎動力減弱。

四衝程內燃機中的能量轉換和能量傳遞過程可解釋如下：燃燒過程中，汽油中的化學位能和空氣中的能量轉換為熱能。部分熱能轉換為活塞桿和曲軸的機械能，部分則經由排氣管排出。活塞桿和曲軸中的大部分機械能轉換為車輛的機械能（驅動車輛行駛），而少量轉換為熱能。摩擦生熱。

奧托循環中的絕熱膨脹和壓縮過程可以用下圖表示。此圖展示了汽油內燃機中發生的熱力學過程的理想化模型。

空氣和汽油蒸氣的混合物進入氣缸（a）。然後，該混合物被絕熱壓縮（a-b）。注意汽缸容積減小。空氣和汽油蒸氣的混合物在恆容條件下被加熱－混合物燃燒（b-c）。燃燒後的氣體經歷絕熱膨脹（c-d）。在恆容條件下冷卻後，燃燒後的氣體被排放到排氣管，新的空氣和汽油蒸氣混合物進入氣缸（d-a）。

空氣和汽油蒸氣的混合物進入氣缸（a）。然後，該混合物被絕熱壓縮（a-b）。注意汽缸容積減小。空氣和汽油蒸氣的混合物在恆容條件下被加熱－混合物燃燒（b-c）。燃燒後的氣體經歷絕熱膨脹（c-d）。在恆容條件下冷卻後，燃燒後的氣體被排放到排氣管，新的空氣和汽油蒸氣混合物進入氣缸（d-a）。

柴油循環

柴油引擎的工作原理與汽油引擎類似。差別在於初始的絕熱壓縮步驟（絕熱壓縮是指壓縮過程非常迅速，以至於熱量來不及流入或流出系統。這裡的系統指的是氣缸）。汽油引擎壓縮的是空氣和汽油蒸氣的混合物，而柴油引擎只壓縮空氣。絕熱壓縮會使空氣的溫度和壓力升高。接下來，噴油嘴（也稱為噴油嘴）噴入柴油。由於空氣的溫度和壓力已經很高，當柴油噴入氣缸時，它會立即燃燒，無需火星塞。請注意下圖所示的壓力值，並將其與奧托循環圖中的壓力值進行比較。

該圖展示了一個理想的柴油循環。首先，空氣被絕熱壓縮（a-b），然後在恆壓下加熱——噴油器噴入柴油並發生燃燒（b-c），燃燒後的氣體經歷絕熱膨脹（c-d），在恆容下冷卻——燃燒後的氣體通過排氣管排出，新鮮空氣進入氣缸（d-a）。

根據上述解釋，可以得出結論：每種熱機基本上都有其特定的工作物質。蒸汽機的工作物質是水，汽油機的工作物質是空氣和汽油蒸汽，柴油引擎的工作物質是空氣和柴油。工作物質通常在高溫下吸收熱量（Q_{_H}），做功（W），然後在低溫下釋放剩餘的熱量（Q_{_L}）。由於能量守恆，因此 Q _{_H} = W + Q_{_L}。

熱機的效率

_{熱機的效率 (e) 是熱機所做的功 (W) 與高溫下輸入的熱量 (Q_H} )之比。數學上，它可以寫成這樣：

W 代表我們獲得的利潤，而 QH_代表我們購買和燃燒燃料所花費的成本。作為總是希望獲得最大利潤和最小支出的人類，我們真心希望獲得的利潤 (W) 與我們花費的成本 (QH) 相稱。這可能嗎？

根據能量守恆定律，輸入的熱量 (Q_{_H} ) 必須等於所做的功 (W) 加上釋放的熱量 (Q_{_L} )。數學表達式為：

要用百分比表示熱機的效率，只需將效率公式乘以 100% 即可。根據上述效率公式，熱機排出的熱量 (Q_L) 越多，其效率就越低。我們當然希望排出的熱量 (Q _{_L} )越少越好。然而，通常情況下，熱輸入 (Q_{_H}) 是透過燃燒石油、煤炭、天然氣等燃料（我們需要付費購買的燃料）獲得的。

因此，所有熱機的設計目標本質上都盡可能提高效率。雖然我們希望以盡可能少的投入獲得盡可能大的收益，但現實情況是，蒸汽機的效率通常約為40%，而內燃機的效率約為50%。這意味著燃燒燃料產生的熱量有一半被浪費掉了，只有一半轉化為機械能。

例題1：

一台熱機吸收3000焦耳的熱量（Q_{_H}），做功（W），釋放2500焦耳的熱量（Q_{_L}）。這台熱機的效率是多少？

彭巴哈桑

例題2：

一台熱機吸收3000焦耳的熱量（Q_{_H}），做功（W），釋放2000焦耳的熱量（Q_{_L}）。這台熱機的效率是多少？

彭巴哈桑

例題3：

一台熱機吸收3000焦耳的熱量（Q_{_H}），做功（W），釋放1500焦耳的熱量（Q_{_L}）。這台熱機的效率是多少？

彭巴哈桑