熱力學傳奇之十三:被逼死的玻爾茲曼的理論推導出了第三定律

2020-12-03 科學背後的故事

能斯特是奧斯特瓦爾德的學生,就是那個和玻爾茲曼論戰,後來導致玻爾茲曼自殺的奧斯特瓦爾德,當年在論戰中能斯特是否搖旗吶喊,為老師助陣不得而知,不過在論戰中,都加深了對玻爾茲曼理論的理解。

能斯特的主要工作是在熱力學方面,企圖從測定比熱和反應熱來預測化學反應過程的結果。如果反應是吸熱的,那麼所吸熱量將隨溫度下降而下降,達到絕對零度時吸熱量將變為零。能斯特假定在絕對零度時這種減少發生的速度也變為零。作為其結果引出了能斯特熱定理,它表明如果反應在絕對零度時在純粹的結晶固體之間發生,那麼熵就沒有變化。

換句話來說就是「當絕對溫度趨於零時,凝聚系(固體和液體)的熵(即熱量除以溫度的商)在等溫過程中的改變趨於零。」,熵這個概念可是玻爾茲曼的當家概念,這句話是什麼意思呢?

有點不太好理解是吧,普朗克說我來解釋一下,當年在奧斯特瓦爾德和玻爾茲曼的論戰中,普朗克雖然內心支持玻爾茲曼,但由於他靦腆的性格,並沒有站出來支持玻爾茲曼,現在你們自家人都開始用玻爾茲曼的理論說話了,那還有什麼顧忌。

這就是普朗克,帥哥已經被折磨成了大叔

能斯特又把這句話進一步發揮,這就是「不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度。」這就是熱力學第三定律。

熱力學第三定律還有一個說法就是「任何系統都不能通過有限的步驟使自身溫度降低到絕對零度」,很明顯,這也是在說絕對零度不可能達到,因為要想達到絕對零度,必須通過無限的步驟,而無限步驟如何達到,當然是不可能達到。

看起來熱力學第三定律似乎是對熱力學第二定律的致敬,其實第三定律應用領域遠不止此。

能斯特提出第三定律是試圖由熱力學數據尋求計算化學平衡常數K的值。化學反應的驅動力,即各種物質的親和力,總是調節著初始產物與最終產物間的平衡親和力不等於反應熱,而等於可逆反應中得到的最大有效功。這個量也叫熱力勢,吉布斯用△G表示,它是隨溫度而變的,如果知道了反應體系的焓,△H的變化,便可計算出熱力勢。為了計算熱力勢的絕對值,就必須了解在任何給定溫度下的△G與△H的關係。

熱力學第三定律指出[△H—△G]/T的極限值,在T=0的情況下趨於負無窮大,這就意味著絕對零度不可能達到。

到此熱力學三大定律已經說完了,那麼還沒有另外的熱力學定律呢?還是有的,不過已經不叫熱力學第四定律了,而叫做熱力學第零定律了,這又是為什麼呢?

相關焦點

  • 熱力學傳奇之九:死神來了,第二定律扼殺了宇宙的未來
    自從克勞修斯和開爾文爵士分別獨立提出熱力學第二定律以來,就已經宣告了第二類永動機不可能建成,但是諸位民科大神依然趨之若鶩,就是現在也經常有新聞報導某位民間大神研製成功第二類永動機,這是因為熱力學第二定律從根本上說還只是經驗的總結,並不是嚴格的物理學定律,其表述又明白如話,這讓民科大神們能自以為看明白了。
  • 「搬磚」小記——熱力學第三定律
    如果把熱力學絕對零度比作烏龜,阿基裡斯比作另一個系統,隨著熱傳遞的進行,是否可以達到絕對零度呢?與阿基裡斯可以超過芝諾龜不同,在熱力學理論中,通過有限操作是不可能達到絕對零度的,這便是熱力學第三定律的核心。熱三定律也是先從實驗研究歸納得出。
  • 熱力學第二定律,至今還有值得思考的地方,你認為呢?
    【克勞修斯表述】熱力學第二定律:不可能製成一種循環動作的熱機,從單一熱源取熱,使之完全變為功而不引起其它變化。【開爾文表述】熱力學第二定律:孤立系統的熵永不自動減少,熵在可逆過程中不變,在不可逆過程中增加。
  • 因學術爭論而自殺的玻爾茲曼
    玻爾茲曼本名路德維希·玻爾茲曼,出生於奧地利維也納,是奧地利著名的物理學家、哲學家、熱力學和統計物理學的奠基,他曾先後在格拉茨大學、維也納大學、慕尼黑大學以及萊比錫大學 等地任教,玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德之間發生的"原子論"和"唯能論"的爭論在科學史上也是非常著名的,也因此爭論選擇了自殺
  • 熱力學傳奇之十一:玻爾茲曼含冤而去,愛因斯坦為他沉冤昭雪
    玻爾茲曼常數等於理想氣體常數除以阿伏伽德羅常數,即R=kNA,其物理意義是單個氣體分子的平均動能隨熱力學溫度變化的係數,即Ek=(3/2)kT,Ek為分子的平均動能,T為絕對溫度。現在看來是創舉,當初卻是「邪說」,這一切都是建立在世界本源是原子的基礎上,如果原子不存在,那麼玻爾茲曼熵公式就成了無源之水無本之木,可是當年原子說並沒有得到統一認識,對於世界本源的認識,當初是以「唯能說」為盛,當然「唯能說」也不能算錯,不過那要等到愛因斯坦出世才能調和兩者之間的矛盾。
  • 熱學要點(三):熱力學第二定律
    既然一切宏觀過程都是不可逆的,那說明任何宏觀過程都有一個自發進行的方向,相反的方向不能自動進行,熱力學第二定律就是用來保證這一點的,有了它,人們不再陷入那種迷茫,例如:有沒可能熱自動的從低溫物體傳到高溫物體呢?
  • 熱力學傳奇之六:一個醫生和一個民科一起證明了熱力學第一定律
    亥姆霍茲覺得物理學家們有些過分,就是啊,對人家理論有不同意見可以,幹嘛把人家整精神病院去啊。當然這只是一個玩笑,有證據表明,在亥姆霍茲提出熱力學第一定律之前,他並不了解邁爾的工作,他是獨立推導出了熱力學第一定律。
  • 熱力學第三定律
    話說熱力學有四大定律。(What?竟然有四大定律,我怎麼只聽說過熱力學三大定律?)
  • 熱力學第三定律的統計學解釋
    熱力學第三定律,是規定了熵的零點,也是「絕對零度不能達到原理」。
  • 「熱力學與時間」系列之六:時間的開始與終結和熱力學第三定律
    另外,奇點也是物理理論無法了解的地方,它隨時可能產生無法預測的信息。彭若斯提出了「宇宙監督假設」,用以禁止「裸奇點」的出現,以保證我們生活的時空有良好的因果關係。注意到裸奇點出現時,黑洞的溫度會處在絕對零度,因此,我們推測,這位「宇宙監督」很可能就是熱力學第三定律。那麼是否可以進一步認為熱力學第三定律——絕對零度不可達,意味著時空不存在奇點,即時間既沒有開始也沒有結束呢?本文將對這一問題進行探討。
  • 熱力學傳奇之十四:熱力學第零定律是完結,也是開始
    扯遠了,還是繼續說第零定律。第零定律是說如果兩個熱力學系統都和第三個熱力學系統平衡,那麼這兩個熱力學系統也平衡,這就是一句大白話是吧,確實是,熱力學定律都是大白話。可是為什麼叫第零定律,而不叫第四定律,因為這一定律比其他三個定律更基礎,可它提出的又晚,只能叫第零定律了,要是它提出的早,其餘三個就依次後推了。
  • 物理熱學史宏觀:熱力學三大定律
    隨後通過反證法證明守恆性,並計算出熱功,雖然他是第一個完整地提出能量轉化與守恆原理,但他著作發表的幾年裡卻沒得到重視,甚至受到物理學家的反對。首先,卡諾和熱機效率的研究中,提出了在熱機理論中有重要地位的卡諾定理,他把熱質的轉移和機械功聯繫了起來,但由於熱質說理論先入為主,缺乏轉化思想,使得他後面並為完全解決這個問題。但他已經差不多接近問題的根本,因此這個定理後來也被認為是熱力學第二定律的先導。
  • 熱力學熵:克勞修斯
    克勞修斯提出的熵,被稱為熱力學熵或克勞修斯熵。除此之外,它還有兩個同胞兄弟。並且真要比較的話,克勞修斯熵反而是一個比較抽象的概念,這兩個同胞兄弟理解起來倒更加直觀。第一個胞弟在1877年由統計物理學泰鬥玻爾茲曼發現。這個人非常有魄力。在當時物理學界的一片反對浪潮中,他仍然堅持要用統計的觀點對多數粒子的運動進行解釋(不過我們或許該說幸好他堅持的是非常正確的)。
  • 玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德「原子」之爭,掀開了微觀世界的大門
    那便是有名的玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德之爭。而堅決支持「原子論」的玻爾茲曼認為物理學的任務不僅僅就是研究能量的改變與轉化的規律,而應該去探究其微觀機制,內在原理。玻爾茲曼堅決反對奧斯瓦特爾德的「唯能論」:「當代的原子理論能夠對於所有的力學現象給出合理的圖像,圖像還進一步包括熱的現象,只是由於計算分子運動及其困難,才使這一點的演示還不十分清楚。無論如何在我們的圖像之中可以找到所有的主要事實。」
  • 物理故事-熱力學定律與奇點疑難
    熱力學定律的重要之處在於它們是普適的,適用於力學、電磁學、光學、原子物理、核物理等所有物理過程,也適用於化學、生物學等所有自然科學領域。這是其他學科和理論都望塵莫及的。電磁理論只適用於電磁領域,力學理論只適用於力學領域這些理論,都是各自獨立、互不約束的,但熱力學卻滲透到所有這些領域中。
  • 玻爾茲曼大腦真的存在於宇宙中嗎?
    關於虛幻與真實的問題其實很籠統,而我們存在的意識有時候是真是假也很模糊,就連玻爾茲曼也認為:人類都可以出現自我意識。那麼宇宙中也有可能存在獨立自我意識體的情況,同樣的意識看不見也摸不著,真假也難分,就像「缸中之腦」那樣特殊。什麼是「缸中之腦」?
  • 解答熱力學與統計物理學三大古老問題,彌補統計物理學局限性
    ,倚靠能量守恆定律、質能方程與玻爾茲曼分布律三大自然規律的簡單性與普遍性,本書將自然界全部物質層次歸納、簡化為由三個層次構成的統計物理模型:廣義的能量量子→由於能量量子之間的相互作用而自我凝聚成形的無限多樣自然體系→由無限多樣自然體系集合而形成的自洽的自然界.從而既為廣義能量量子自然凝聚形成無限多樣自然體系,構建了統一的自我凝聚模式;也為通過理論研究能量量子在自然體系表面保守力場方向上的玻爾茲曼分布規律
  • 熱力學第三定律與物質的規定熵
    熱力學第三定律是在很低的溫度下研究凝聚體系的熵變的實驗結果所推出的結論。它解決了如何通過實驗測求規定熵的問題。  熱力學第三定律有好幾種表述方法,這些表述方法字面上雖然各不相同,但其內容實質具有一定的聯繫和等效性。對熱力學第三定律的一種基本表述為:「不能用有限的手續把一個物體的溫度降到絕對零度」。
  • 坤鵬論:如果生命可以永恆 熱力學第二定律就是個笑話
    還記得《物理學神獸之拉普拉斯獸和薛丁格的貓》中提到的拉普拉斯獸嗎?「假設一個智能生物,他能掌握全宇宙中每一個粒子的瞬時位置和速度,根據牛頓力學定律,就可以預測出未來任意時刻粒子的狀態,同時也能推算出過去任意時刻粒子的狀態。」
  • 熱力學第一定律(1)
    在1847年,亥姆霍茲發表《論力的守恆》,第一次系統地闡述了能量守恆原理,從理論上把力學中的能量守恆原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程,揭示其運動形式之間的統一性,它們不僅可以相互轉化,而且在量上還有一種確定的關係。能量守恆與轉化使物理學達到空前的綜合與統一。將能量守恆定律應用到熱力學上,就是熱力學第一定律。