《热力学第二定律的解释》论文
1：引入及背景
由于热力学第一定律是热学中的能量转化与守恒定律，自然界各种热现象都遵循这一定律，但它却并不能决定一切。
例如，冷热物体接触后，总是热的变冷，冷的变热，最后达到相同的温度，从未有人见过这一过程自发地反向进行。就是说，把温度相同的两物体放在一起，绝不会自发地有一个变热，另一个变冷。尽管这种未曾发生的过程并不违背热力学第一定律。又如，扩散的反方向过程，气体膨胀的反方向过程都未发生，尽管他们不违反热力学第一定律，这表明：第一定律不能判定过程进行的方向，而应当有独立于第一定律的另一自然法则；要依据它去判断在全部遵循第一定律的各种过程中，哪些能真正发生，哪些并不能发生。
再例如，热机中能量转化，热效率为η=1-Q2/Q1.我们会问：η能提高到什么限度？当Q2=0时，η=100%。但这是办不到的。而它却也满足热力学第一定律，而第一定律又不能解决这些问题。
热力学过程中进行方向所涉及的问题已非热力学第一定律所能解释，因此，就有了由克劳修斯、开尔文-普朗克等科学家们提出的热力学第二定律。
对热力学第二定律的描述：
由上面的例子，我们可以总结出热力学第二定律的简单描述如下：A.没有其他影响存在时，热从高温流向低温，这就意味着：当一个处于高温的物体与一个处于较低温的物体接触时，高温物体会冷却下来，但不会相反。
B.如果把两种气体放在一孤立的容器里，它们便在整个容器中均匀地混合，一旦混合后，不会再自发地分离。
C.电池经过电阻要放出一定数量的能量，但使这过程逆转是不可能的；也就是说：用加热的办法给电阻输入能量，从而使电池充电是不可能。
D.不可能制造出这样一种连续运行的机器装置；使该机器只从单一的热源吸取热量，并将其转换成等量的功。
2：多种表达的互证（以克氏与开氏为例） （1）克氏和开氏的说法：
克劳修斯的说法：不可能制造出一种循环工作的热机，其唯一效果是将热量从温度较低的物体传至温度较高的物体。
开尔文-普朗克说法：不可能制造出一种循环工作的热机，从单一热源取得热量并使之全部变成有用功而不产生任何其他作用。
（2）克、开氏的证明。 我们用反证法进行证明。
A开始不成立，可是说法也不成立。
设A、B两物体的温度分别为TA、TB，且TA＞TB，如图（a）。若开氏不对，即可以从单一热源A吸收热量⊿QO并把它完全变成功⊿WO而不引起其他影响，那就可以用这功⊿WO（数值等于⊿QO）去推动以A、B两物体为高，低至热源的致冷机C去循环工作一周，使致冷机把从低温热源吸收的热量⊿Q连同这功⊿WO转化的热量⊿QO一起传给高温物体A.这样，从A吸收的⊿QO转化⊿WO功。又经致冷机循环回到了A物体，同时B物体的⊿Q热量也被致冷机传给了高温物体而且没有造成其他影响，即克氏说法也不成立。
B.证明可是说法不成立，则开氏说法也不成立。
设A、B两物体的温度分别为TA、TB，且TA＞TB，如图（b）。若克氏说法不成立，即可以把低温物体B的热量⊿QO传递给高温物体A而不引起其他影响。那么，我们可以让A、B物体分别作为热机C的高、低温热源并使C循环工作一周，热机在一周循环工作中假设从物体A吸收热量为⊿QO+⊿Q，且把其中的⊿QO
传给了低温物体B，把其余部分⊿Q转变成功⊿W输出，通过热机传给物体B的热量⊿QO如果按照克氏说法不成立的假设，自动又从低温物体B传给了高温物体A，而且没有引起其他影响，这样，热机循环工作一周得到的总结果，就成了从单一热源A吸收热量⊿Q并把它完成了功⊿W输出，却没有产生任何影响，即开氏说法也不成立了。
经过A、B的两个证明得出：克氏与开氏说法是相互联系的，也是完全成立的。
3：两倍水利的热力学
（1）热力学第二定律有许多的表述。根据我的学习体会，描述也：孤立体系的热运动总是向着熵增的方向发展，并达到熵最大（稳定的平衡态）。
（2）热力学第二定律包含有两个内容：1、时间之箭的方向；2、时间之箭的目标。
（3）热力学第二定律对研究对象有个限制：孤立体系。下面的一格孤立体系。但是，热力学第二定律在运用上却存在问题：桌面上有A、B两杯水，水利悬浮有大量的电荷，外界对它们没有作用，可以把它们整体看作孤立体系，由热力学第二定律得：体系应该有一个稳定的平衡态。我们从部分看，比如A，它受到B的电作用，不能视为孤立体系，它有没有稳定态，就很成问题。同样，B也是如此。同一研究对象，可能存在不同研究结果。只有说明理论对于这样的研究对象存在先天不足。
（4）这一体系有没有稳定态，得有物理方程确立，物理方程应该包热和电。 ①伯松方程 ②波尔兹曼方程
（5）求解方程有困难，他是非线性的，从直觉上讲，有解可能性小。 4：结论
在以上论述中，涉及了热力学第二定律的引出（为什么会有热力学第二定律的提出）。从克劳修斯和开尔文-普朗克的两种说法去证明热力学第二定律的表述，及它在运用中的局限性和远程相互作用。
5：热力学第二定律的一些典型应用 （1）：对时间的理解
我们已经知道，热力学第二定律事实上是所有单向变化过程的共同规律，而时间的变化就是一个单向的不可逆过程，对每个人都一样，时间一去不复还，因此还可以这样理解：时间的方向，就是熵增加的方向。这样，热力学第二定律就给出了时间箭头。物理学的进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关。这就是说，热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。结果我们看到：热力学第一定律指出，时间是均匀的；热力学第二定律指出，时间是有方向的。这两条定律合在一起告诉我们：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。正如一句古诗描述的情景：“长沟流月去无声”。这使得我们可以从另一新的角度来认识时间。（2）： 黑洞温度的发现
1972年，30岁的英国青年物理学家霍金（S.Hawking，1942～），提出了黑洞的“面积定理”。证明了黑洞的面积A随时间变化只能增加，不能减少，即
?A?0。
这个定理认为，物质落入黑洞、两个黑洞相撞等导致黑洞面积增加的过程，是可以发生的。而一个黑洞分裂为两个黑洞的情况，由于会导致黑洞面积减少，因而是不可能发生的。面积定理，不由使人想起热力学中的“熵”。但是黑洞面积与熵是风马牛不相及的两种东西，这样去联想它们，是不是太荒唐了呢？
几乎与此同时，青年物理学家贝根斯坦和斯马尔，各自独立得出了关于黑洞的一个重要公式。这个公式把黑洞的一些参量组合成了类似于热力学第一定律的形式
?M?k?A???J?V??8?
式中M、J、Q分别是黑洞的总质量、总角动量、总电荷；A、Ω、V分别是黑洞的表面积、转动角速度和表面上的静电势。k称为黑洞的表面重力。此公式与普通转动物体的热力学第一定律表达式
?U?T?S???J?V?Q
非常相似。式中U、T、S分别是系统的内能、温度和熵；Ω、J、V、Q等物理意义与前式类似。比较这两个公式不难看出，黑洞面积A确实像熵S，而黑洞的表面重力k非常像温度T。不久，人们又研究出黑洞的另外两个性质，很像普通热力学的第零定律和第三定律。下表比较了普通热力学四定律与黑洞力学的相应性
