熱力學第二定律

為了解釋不可逆的熱力學過程，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。一位名叫羅伯特·尤利烏斯·克勞修斯（1822-1888）的科學家曾發表過以下論述：

熱量自然地從高溫物體傳遞到低溫物體；熱自然不會從低溫物體傳遞到高溫物體（熱力學第二定律－克勞修斯的表述）。

克勞修斯表述是熱力學第二定律的特殊表述之一。之所以稱之為特殊表述，是因為它只適用於與熱傳遞相關的特定過程。由於該表述與其他過程無關，我們需要一個更一般的表述。熱力學第二定律一般表述的建立是基於對熱機的研究。因此，我們首先討論熱機產生的熱量。

熱機

我們使用的能源大部分都來自石油、天然氣和煤炭中所蘊含的化學勢能。要直接利用這些化學位能，必須先將其燃燒。通常，化石燃料（石油、天然氣和煤炭）的燃燒會產生熱量。熱量可以直接用於烹飪食物和加熱。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）。

1700年，人們發明了利用熱能做功的工具，那就是蒸氣機。蒸汽機最初被用於從煤礦中抽水。

蒸汽機之所以被使用，是因為蒸汽可以驅動物體運動。蒸汽機包含一個熱機（熱機是一種將熱能轉換為機械能的工具）。如今，蒸汽機也被用於發電。現代熱機指的是內燃機，例如汽車引擎、摩托車引擎等等。

熱機的基本原理是，如果熱從高溫流向低溫，就可以將熱能轉換為機械能。在這個過程中，部分熱量轉換為機械能（一部分熱量用於做功），一部分熱量則在低溫區域散失。熱機中能量形式改變和能量傳遞的過程如下圖所示。

高溫（T_H）和低溫（T_L）被稱為機器工作溫度。 Q_H 是高溫下散發的熱量，而 Q_L 熱是從高溫處流向低溫處的。當熱量從高溫流向低溫時，一部分熱量轉換為機械能（用於做功），一部分熱量以Q的形式散失。_L並非所有熱量都能轉換為功（W），總會有熱量被釋放（Q）。_L因此，基於能量守恆定律，Q_H = W + Q_L.

熱機有多種類型，包括蒸汽機和內燃機。

蒸汽機

蒸汽機利用水蒸氣作為傳熱介質。蒸汽是工作流體。蒸汽機有兩種類型：往復式蒸汽機和汽輪式蒸汽機。這兩種蒸汽機的設計不同，但它們都使用透過燃燒石油、天然氣、煤炭或核能加熱的蒸汽。

內燃機

摩托車引擎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。內燃機的存在是絕熱壓縮和膨脹工程概念的體現。

熱機效率

熱機的效率 (e) 是機器所做的功 (W) 與高溫熱輸入 (Q _H ) 之間的比較。

W 代表所獲得的收益，而 QH_代表購買和燃燒燃料的成本。作為總是希望獲得最大收益和最小支出的人類，我們希望收益成長 (W) 與我們花費的成本 (QH) 成正比_。這有可能實現嗎？

根據能量守恆定律，熱量（Q _H ）必須等於功（W）+ 放出的熱量（Q _L ）。

將方程式 1 中的 W 替換為方程式 2 中的 W。

這是熱機效率的公式。

問題1：

一台熱機吸收3000焦耳（Q_{_H} ）的熱量，做功（W），並排出2500焦耳（Q_{_L} ）的熱量。計算該熱機的熱效率。

解決方案

熱機效率 = 17%。

問題2：

一台熱機吸收3000焦耳的熱量（Q_{_H} ），做功（W），並排出2000焦耳的熱量（Q_{_L}）。計算該熱機的效率。

解決方案

熱機效率 = 34%。

問題3：

一台熱機吸收 3000 焦耳的熱量 (Q_{_H} )，做功 (W)，並釋放出多達 1500 焦耳的熱量 (Q_{_L} )。計算這台熱機的效率。

解決方案

熱機效率 = 50%。