物理课|《张朝阳的物理课》继续讨论热力学初谈熵概念

2月27日12时，《张朝阳的物理课》第三十二期开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间。他先介绍了准静态过程与可逆过程的概念，利用物体从粗糙曲面滑落的例子，来说明宏观能量耗散到微观粒子无规则运动能的不可逆性。紧接着介绍了热力学第二定律的两种典型且等价的表述，并利用它证明了卡诺定理，即工作于相同的高低温热源间的一切不可逆热机的效率,都不能大于可逆热机。将理想气体作为卡诺热机的工作介质，可以计算热机效率与温度的关系，进而引入熵的概念。讨论理想气体自由膨胀前后熵的变化，则可以将熵的热力学定义与熵的玻尔兹曼定义联系起来。

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“最近有很多物理学家入驻搜狐视频，今天上午就有周思益的‘弦论世界’。”一开场，张朝阳向网友推荐搜狐视频的其他知识直播课，并提醒网友，“整个世界都在关注乌克兰，搜狐新闻也在报道。我们躲进小楼成一统，继续学习。”他介绍今天课程的重点，“我们继续研究热力学。”
热力学第二定律及其典型等价表述
“对于孤立系统或外界条件不变的系统，经过足够长的时间，系统的各种宏观性质不再随时间变化，这样的状态称为热力学平衡态。如果系统所处的外界条件发生变化，外界与系统的相互作用，将使系统的状态发生变化，在这个过程中的每一瞬间，系统的状态无限接近于平衡态，这个过程叫做准静态过程。”
张朝阳从热力学第二定律讲起。他解释说，一般来讲，只要外界条件变化得比较缓慢，系统重新达到平衡的过程，相对于外界条件的变化是非常快的，每一个瞬间近似就是平衡态，这个缓慢的过程，就可以认为是准静态过程。
他进而指出，平衡态可以用状态参量描述，所以，准静态过程的每一瞬间都可以用状态参量描述，其过程可对应于相图上的一条曲线。至于非准静态过程，他举了气体自由膨胀的例子，用隔板将某容器一分为二，一边充满气体，另一边是真空。将隔板抽掉，气体迅速膨胀，充满整个容器。显然，在这个过程中，气体密度压强等参量分布不均匀，不是平衡态，并且气体充满整个容器，达到新的平衡后，其宏观参量将不再改变，也就是气体不会自发地回到隔板抽离之前的状态，这说明非平衡过程是不可逆的。
他进一步解释，一个系统由某个状态出发，经过某一过程，达到另一状态，如果存在另一过程，能使系统回到原来的状态，同时消除了原来的过程对外界所引起的一切影响，则原来的过程就称为可逆过程。他说，“前述气体自由膨胀的非准静态过程，是不可逆过程。在无耗散的情况下，准静态过程是可逆过程。”
张朝阳再以一个物体从不光滑的曲面上滑下为例，来说明耗散的概念。如果曲面光滑，物体滑到底部时的动能，就是初始时刻的重力势能。如果曲面不光滑，由于物体与曲面的摩擦，物体到达底部时，其动能会小于初始时刻的重力势能。摩擦力是由于物体表面与曲面的分子作用力产生的，损失的宏观有序能量，通过这种作用力转化为分子的不规则热运动，这种有序能量向不规则能量的耗散，显然是不可逆的。
“热力学第二定律总结了对各种不可逆过程的不可逆性提出的各种说法，我介绍两种典型但等价的表述。”张朝阳介绍说，克劳修斯表述是指，不可能把热量从低温物体转移到高温物体而不引起其它变化。而开尔文表述则称，不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功而不引起其它变化。

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（张朝阳介绍热力学第二定律）
卡诺定理：高温低温热源确定，可逆热机效率最高
此前，张朝阳介绍过卡诺循环，他继续研究以卡诺循环工作的热机的效率。他说，“卡诺循环的每个过程都是准静态过程，是个可逆过程，利用卡诺循环从高温热源吸热来对外做功的热机是可逆热机。”卡诺定理指出，相同的高温热源和相同的低温热源之间，工作的一切不可逆热机的效率,都不能大于可逆热机。其中，热机的效率是指热机对外做的有用功W与它从高温热源吸收的热量Q的比值：

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“利用热力学第二定律可以证明卡诺定理。”张朝阳继续解释，首先考虑两个热机A与热机B，假设它们从高温热源吸热都为Q1，但对外做的功分别为W和W'，则它们的效率分别为：

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