熱力學第二定律
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱力學第二定律的視頻教程
力學基本原理的公式推導
力學基本原理的公式推導 1、材料的基本本構原理與假設 2、動量守恒公式推導 3、熱力學第一定律公式推導（1） 4、熱力學第一定律公式推導（2） 5、熱力學第一定律公式推導（3） 6、熱力學第二定律 公式推導 7、基于內變量的損耗描述 8、鎖定自由能與背應力 （已購買臨界狀態土力學土力學課程的請勿拍此課程）
￥35 1小時11分鐘 1371播放
查看
熱力學第二定律的實例教程
研究展示了負溫度下光子之間的熱力學過程，實現負溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實現超過100%的卡諾效率。熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作，卡諾循環的效率必定小于1。如此，在負溫度下，這一切都將被顛覆，有望實現更高效的發動機。
相關成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發表于《Science》。
熱力學試驗臺示意圖
通過控制光子晶格，實現了21種模式的激發，并對其中的10種模式進行研究。作者觀測到正溫度和負溫度，并在實驗中驗證了理論預測。光經過非線性光纖進行四波混頻作用，可以模擬出正溫度和負溫度條件下，光子之間達到熱平衡的過程。由于系統中可用狀態的數量是有限的，觀測到的負溫度狀態是穩定的熱平衡狀態。
觀測正溫度和負溫度
該研究利用光學平臺模擬了負溫度下光子之間的等壓膨脹、等容壓縮、絕熱膨脹等過程，并且測量了每個過程中光子能量和體積（波長）的變化。等壓膨脹時，保持壓強不變，光子能量增加而體積減小；等容壓縮時，保持體積不變，光子能量減小。在負溫度區域，由于低溫系統比高溫系統具有更高的平均能量密度，熱量會從低溫流向高溫，這些現象與正溫度區域相反。這意味著，在負溫度區域運行一個類似于卡諾循環的過程，可以實現超過100%的卡諾效率。
展開 這條定理引起了物理學家們的興趣，因為它與另一個設定在時間上的定律——熱力學第二定律密切相關，即封閉系統的熵或無序必須總是增加的。因為黑洞的熵與其表面積成正比，所以兩者都必須始終增加。
人類歷史上拍攝的首張黑洞照片
奇怪的是，面積定律似乎與霍金的另一個已被證明的定理相矛盾，即黑洞應在極長的時間尺度內蒸發。因此，找出兩種理論之間矛盾的根源可以揭示新的物理學。
黑洞面積定理的驗證
為了驗證這一理論，研究人員分析了13 億年前由兩個龐然大物的黑洞在高速相互旋轉時產生的引力波，它是由高級激光干涉儀引力波天文臺 (LIGO) 在 2015 年探測到的，LIGO是一束長1,864英里（3,000 公里）的激光束，天文學家們能夠通過它們路徑的改變來檢測時空中最輕微的扭曲。
模擬顯示的兩個黑洞在相互盤旋時發出的引力波
通過將信號分成兩半——黑洞合并之前的和合并之后的，研究人員計算了兩個原始黑洞和新組合黑洞的質量和自旋，反過來，這些數字使他們能夠計算碰撞前后每個黑洞的表面積。經過計算，新產生的黑洞的表面積大于最初兩個黑洞的表面積之和，以超過 95%的置信度證實了霍金的黑洞面積定律。
廣義相對論和量子力學的碰撞
真正的謎團始于科學家們嘗試將廣義相對論（大物體的規則）與量子力學（微小物體的規則）結合起來，根據廣義相對論，黑洞不能收縮，但根據量子力學，它們則可以。這也導致了黑洞面積定理和霍金輻射理論的矛盾。
一定條件下的適用
為了解決這一矛盾性，科學家們對面積定理設置了中短時間的限制框架。
展開 不消耗能量而能永遠對外做功的機器，它違反了能量守恒定律，故稱為"第一類永動機"。在沒有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續地轉變為機械能的機器，它違反了熱力學第二定律，故稱為"第二類永動機"。這兩類永動機是違反當前客觀科學規律的概念，是永遠不能夠被制造出來的。
能量從一種形式轉變到另一種形式時，絕對不可能100%轉變成這種形式。比如物質之間相互摩擦產生的熱能。
雖說永動機不符合科學規律
但是民間還是有不少人對此非常有興趣
我們一起來看一下吧~
▲達芬奇設計的永動機。他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息，但實驗結果卻是否定的。
達·芬奇敏銳地由此得出結論:永動機是不可能實現的。事實上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個設計中，右邊每個重物施加于輪子的旋轉作用雖然較大，但是重物的個數卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當的位置，使左右兩側重物施加于輪子的相反方向的旋轉作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使輪子達到平衡而靜止下來。
▲重力作用的永動機
▲重力作用的永動機
▲細管子的毛細作用制作的永動機
再來一波
展開 這種發電方法是將熱能直接轉變成電能，其轉變效率受熱力學第二定律即柯諾特效率(Carnotefficiency)的限制.早在1822年西伯即已發現，因而熱電效應又叫西伯效應(Seebeckeffect) [1]
塞貝克效應
塞貝克效應（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應，是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。一般規定熱電勢方向為：在熱端電子由負流向正。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現電流，稱為熱電流。相應的電動勢稱為熱電勢，其方向取決于溫度梯度的方向。塞貝克效應的成因可以簡單解釋為在溫度梯度下導體內的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢。半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。
產生Seebeck效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。例如p型半導體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴散；在開路情況下，就在p型半導體的兩端形成空間電荷（熱端有負電荷，冷端有正電荷），同時在半導體內部出現電場；當擴散作用與電場的漂移作用相互抵消時，即達到穩定狀態，在半導體的兩端就出現了由于溫度梯度所引起的電動勢——溫差電動勢。自然，n型半導體的溫差電動勢的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數為負），相反，p型半導體的溫差電動勢的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數為正），因此利用溫差電動勢的方向即可判斷半導體的導電類型。可見，在有溫度差的半導體中，即存在電場，因此這時半導體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級也是傾斜的；兩端Fermi能級的差就等于溫差電動勢。
展開 來源：AutoAero
熱力學第二定律指出，在自然界中不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他的變化。由于自然界和生產過程中幾乎到處存在溫度差，所以熱量傳遞就成為一種非常普遍的物理現象。傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的科學，其作用是利用可以預測能量傳遞速率的一些定律來補充熱力學分析。傳熱學與空氣動力學有著緊密的關系，了解傳熱學的相關知識有助于解決汽車空氣動力學中發動機冷卻、新能源汽車熱管理以及駕駛室空調性能優化等問題。下面分別介紹熱能傳遞的三種基本方式和傳熱學的研究方法。
一、熱能傳遞的三種基本方式
熱傳遞有三種基本方式，分別為熱傳導、熱對流和熱輻射。
1.熱傳導（heat conduction）
物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動互相撞擊，使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或由高溫物體傳給低溫物體的過程，叫做熱傳導，又稱導熱。物體或系統內的溫度差，是熱傳導的必要條件。熱傳導是固體中傳熱的主要方式，在不流動的液體或氣體層中逐層傳遞，在流動情況下常與熱對流同時發生。
熱傳導
熱傳導有如下幾個特點：
①必須有溫差
②物體直接接觸
③依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量，不發生宏觀的相對位移
④沒有能量形式之間的轉化
2.熱對流（heat convection）
熱對流，指流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。熱對流僅能發生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規則的熱運動，因而熱對流必然伴隨有熱傳導現象。熱對流有三種基本形式，分別是自然對流、強迫對流以及湍流。在工程應用上更注重的是流體流過一個物體表面時，流體與物體表面間的熱量傳遞過程，并將該過程稱為對流傳熱。
展開 
熱力學第二定律的相關專題、標簽、搜索
熱力學第二定律的最新內容
image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202505/attachment/a586ddf4bea54e47ac015c242734ccf5.png"></figure>
</figure><p><br></p><p>根據熱力學第二定律，熱管理必然會成為高端電子產品面臨的核心挑戰之一，其成本占比將持續上升且不可逆轉
根據熱力學第二定律，電子產品熱管理問題會不可逆地成為所有高端產品共同面臨的核心難題，熱管理成本占比會越來越高。鑒于熱管理設計的重要性，許多成功的公司已經認識到這一點，并因此大幅提高了熱設計工程師的薪酬，使其成為近年來研發團隊中薪資增長最快、水平最高的職位之一。
2、如何有效提升設計能力？
熱力學第二定律告訴我們，孤立系統的熵永不減小，這個世界總會朝著無序的混亂方向發展。90多年前的1931年，法國冶金師喬治·蘭克也正在和我一樣被這個熵增的世界困擾。
但他突然有一天，在分離瓦斯時，意外發現流體流過分離器后，居然一邊是高溫，一邊是低溫。
本文首先闡述了這些溫差導致的能量交換波段差異（維恩位移定律和熱力學第二定律），其次介紹了光熱材料（一般性光熱材料、光譜選擇性光熱材料）和輻射冷卻材料（日間輻射冷卻材料、夜間輻射冷卻材料）的理想光譜、材料種類以及能量轉換機制。這些理論為研究人員探索光熱技術和輻射制冷技術聯合應用提供充足的理論支持。
圖3.
而集中供汽用戶門站蒸汽參數為１.１ＭＰａ，２０５℃的過熱蒸汽，而目前采用減壓閥的方式調節參數參數，根據熱力學第二定律評估，減溫減壓過程消耗的功率及折算為壓縮空氣量見表１。由表１可看出，某塑料生產公司在對蒸汽減溫減壓過程，浪費的輸出功率為１５０ｋＷ，以空壓機比功率為６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ） （常規空壓機比功率為５～６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ））計算，可產生壓縮空氣流量為２０ｍ３／ｍｉｎ。
熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作，卡諾循環的效率必定小于1。如此，在負溫度下，這一切都將被顛覆，有望實現更高效的發動機。
根據熱力學第二定律，區別于環境壓力和溫度的空氣具有做功能力，單位質量做功能力（可轉換的功）為e=u-u0-T0(s-s0)（u為內能，T為溫度，s為熵，下標0代表環境條件），可見溫度越高，內能u越大，熵s也越大，但是u-T0s仍是增大的；壓力越大，熵s越小，但內能基本不變，因此溫度和壓力升高均會使單位質量空氣的做功能力增大。
來源：AutoAero
熱力學第二定律指出，在自然界中不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他的變化。由于自然界和生產過程中幾乎到處存在溫度差，所以熱量傳遞就成為一種非常普遍的物理現象。傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的科學，其作用是利用可以預測能量傳遞速率的一些定律來補充熱力學分析。
本文提出的熱池，是相對電池而言的，雖然并不違背熱力學第二定律，但結合當前人類電池技術的現狀，它難度更大，更像是一種猜想。熱池功能的發揮甚至建立在微通道冷卻技術被攻克的基礎之上，就像電池必須要有電能輸運線路一樣。
實際熱力學過程的不可逆性及其間聯系的研究，導致熱力學第二定律的建立。
Carnot 循環由2 個等溫過程和2 個絕熱過程組成。在這一系列過程中，熱力學過程的效率是限制系統效率的主要因素。氣缸內的循環過程可以使用壓力-體積圖（P-V 圖）進行描述。理想熱機使用的Carnot 循環如圖2 所示。
