熱力學第二定律的來源

2020-12-05 小林看天下事

大家好，歡迎收看我的百家號小林看天下事，今天小編要給大家的介紹的是熱力學第二定律的來源。

熱力學第二定律

熱力學第二定律用物理學的語言告訴我們,沒有什麼是永恆的。它指出,可以做功的能量會越來越少,這一過程雖然緩慢,卻確實存在。不管是冰箱的運轉,還是宇宙黑洞的物理規律,都遵循熱力學第二定律。有些宇宙學家甚至在思考,這一定律會不會帶來宇宙的終結。由於有熱力學第二定律這一物理法則,發動機或者其他把熱(系統以溫度形式儲藏的能量)轉化為物理運動(功)的效率都會受到限制。例如,蒸汽機把熱蒸汽轉化為火車動能從而推動火車前進,但蒸汽機並不能以100%的效率完成這一過程,會有一定量的熱能損失在環境中。

1824年,法國物理學家薩迪·卡諾( Sadi carnot)首先意識到了這一點,並推測了其中的原因。自18世紀首批蒸汽機建成起,卡諾就直在研究提高蒸汽機效率的辦法。當時,蒸汽機只能將燃料產生的熱能中大約3%轉化為有用功。卡諾正確推斷出,熱機的運轉需要溫度差,熱部件和冷部件必須分開。比如,在蒸汽機中,高壓蒸汽膨脹,壓縮低壓冷空氣,才能做功。如果發動機的所有部件都在同一溫度,那就不可能做功。後來,人們用數學等式來表示卡諾的這一發現,有低溫T和高溫T,那麼(T-7)就是可用於做功的熱能比例。如果T是的兩倍,那麼可供使用的熱能比例是50%,不會更多。1850年,德國物理學家魯道夫·克勞修斯進一步發展了這一觀念。

他引入了一個新的熱力學量來表示並計算不做功的能量,並在後來把它命名為「熵」(entropy,希臘語「轉化」的意思)在熱力系統中,可以把熵想作是無序的程度。低熵的狀態有高度的秩序,這時用卡諾的語言來說,系統中的熱區和冷區隔離得很好,也就意味著有大量能量可以用。高熵的狀態則非常混亂,沒有明顯的高溫區和低溫區,也就意味著系統中溫度差不多一樣,所以可以做功的能量十分有限。克勞修斯推斷,熵一定會不斷增大。兩個物體,一個溫度很高、個溫度很低,把它們並排放在一起,這兩個物體就形成了一個低熵的系統。熱從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體,而不是相反,最終兩個物體溫度相同。這時,兩個物體就變成了一個高熵的系統。

麥克斯韋妖

坐辦公室的人可能已經相當熟悉熵的概念。星期一,你把辦公桌整理得乾乾淨淨,一天一天過去,文件漸漸扔得到處都是,辦公桌越來越亂。但是,事情絕不會反過來。一周的開始,辦公桌亂七八糟。到了周五,它怎麼也不可能自己變得乾淨整齊。用熱力學第二定律的話來說,一張整潔的辦公桌的熵很低,而亂糟糟的辦公桌則有很高的熵,而該定律指出,熵只增不減。(業務經理可能會想在這裡加上一句,桌子低熵整潔的人做的功更多。)我們總是可以在局部打破熱力學第二定律。比如,家裡的冰箱把冰箱內部的熱量抽出來,排放到溫暖的廚房。

乍一看,冰箱分隔了熱區和冷區,使熵減小。但是,冰箱在這一過程中必須做功。畢竟如果不插電,冰箱就沒法工作。在冰箱做功的同時,其他地方的熵增加了,抵消了局部熵的降低。整個宇宙的熵永遠在不停增加蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克麥克斯韋用了同樣的方法,試圖挑戰熱力學第二定律。在一次思想實驗中,他想像有一種精靈(麥克斯韋妖),坐在高溫物體和低溫物體之間,只讓熱原子從冷的物體傳遞到熱的物體,但不允許熱原子反向傳遞。然而,由於上述同樣的原因,麥克斯韋妖的論證並不成立。

熱學

克勞修斯定律是熱力學四大定律中的第二個定律。熱力學第一定律是能量守恆律,傳遞給物體的熱量等於物體內部熱能的增量加上物體所做的功。第三定律指出,在絕對零度(-273.15℃)時,熵為零。那第四定律又是什麼呢?沒有第四定律,只有第零定律。這條定律之所以叫做第零定律,是因為雖然它發現的最晚,但卻是最根本的一條定律。第零定律指出,如果物體A和物體B處於熱平衡(也就是說,兩物體間沒有熱傳遞),而物體B和物體C處於熱平衡,那麼物體A和C也處於熱平衡。發明家們曾嘗試建造能做無限多有用功的永動機,但都以失敗告終。

熱力學第二定律便解釋了他們失敗的原因。該定律後來在統計力學的發展中也起了很大作用,統計力學是一種基於原子物理性質計算物質整體性質的方法。另外,宇宙學家在思考宇宙的最終命運時,不斷增長的熵也宇宙的一個未來景象。熱力學中熵的數學類比還被應用於資訊理論和黑洞物理。黑洞的表面積似乎在不斷增長,就像是第二定律中的嫡。

相關焦點

  • 熱力學第二定律不是「天經地義」的「鐵律」
    熱力學第二定律的實質就是：熱量只能自發地從高溫向低溫順向流動，而從來不反流。如果發現了熱量「反流」的事實，熱力學第二定律的實質就被突破了。其實，客觀上存在許多熱力學第二定律的反例：1 .顯然這是違反熱力學第二定律的實例。2 . 用暖水瓶電熱器將暖水瓶中的水燒開,關掉電源後,將電熱器從暖水瓶中取出,,並在冷水中冷卻, 手握的絕緣柄端並不跟著冷卻,反而越來越熱,這又是冷把熱從冷端驅趕至熱端. 顯然這又是一個違反熱力學第二定律的實例。3.
  • 熱力學第二定律的實質及其問題分析
    根據這一點， 再結合達爾文和克勞修斯對熱力學第二定律的表述， 我們可以得出以下結論：功向熱的轉變過程是不可逆的， 且熱傳遞的過程同樣是不可逆的。再者， 我們可以這樣來看待熱力學第二定律的不同表述形式， 即在所有的熱現象中， 只要是與之有關的宏觀過程， 其實都具有不可逆性。在認識熱力學第二定律時， 我們必須牢牢的抓住這一點， 認清熱力學第二定律的本質， 才能掌握好熱力學相關知識。
  • 熱力學第二定律被打破:打造永動機或成為可能
    （圖註：從最小原子的產生到遙遠黑洞的崩潰，一切都受熱力學定律的控制。熱力學第二定律從根本上為宇宙存在時間設定了極限，闡明了宇宙中的萬物為什麼終有一天會衰敗。）熱力學四大定律是我們宇宙的基本物理規則之一，19世紀中期由物理學家和工程師共同提出，他們希望這些定律有助於提高蒸汽機的效率。該定律解釋了溫度、能量和熵如何共同作用，創造和摧毀物質。宇宙中一切運動，從最小原子的產生到遙遠黑洞的崩潰，都受這四條定律的控制。熱力學第二定律解釋了系統內能量如何轉化，從有效能量轉化為無效能量。
  • 熱力學第二定律是史上最大悖論?
    這一說法並不與熱力學第二定律相衝突，熱力學第二定律指出，在封閉系統中，任何過程都可以保持熵的總值不變或增加。這些理論的關鍵在於能量的形式，現在在宇宙中存在許多將不同形式的能轉換成熱能的過程。那麼問題是，如果所有的可用能量都轉換成了熱能，將發生什麼呢？這在19世紀是個熱門話題，當時的人們稱這個問題為「宇宙的熱死亡」。
  • 進化與熱力學第二定律矛盾嗎?
    熱力學中的熵認為宇宙正在變壞，而進化論則認為宇宙正在變好，誰能解釋一下這個矛盾。很多人提出這個矛盾來試圖證明進化是不可能的。然而，提出這個想法的人是因為對熱力學第二定律的錯誤理解，實際上，進化論與任何已知的物理定律都沒有矛盾。
  • 熱力學第二定律(熵增加原理)
    什麼是熱力學第二定律討論熵之前，我們還需要在知識上做一些準備，本文重點在於介紹熱力徐第二定律。
  • 熱力學第二定律與熵(後話)
    ——Bertrand Russell隨著熱力學第二定律和熵增定律的提出，科學家認清一個可怕的事實。熱和功在熱力學第一定律中被成功統一，但在第二定律中又劃分出了清晰的界限。一方面熱和功的數量可以相同，但是「品質」並不相同。功轉化成熱是無條件的，而熱轉化成功是有條件的。
  • 《我對熱力學第二定律的看法》
    其實這個熱力學第二定律，到達的「熱寂」，我是不贊成這一理論的。宇宙無限循環，生生不息，怎麼會「熱寂」死亡呢？第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方，對任何物理系統，這都是顯而易見的特性，毫無神秘之處。就最廣泛的意義而言，第二定律認為宇宙的「熵」與日俱增。
  • 熱學要點(三):熱力學第二定律
    雖然微觀粒子所經歷的物理過程是可逆的，但是大量的粒子組成的熱力學系統（也就是宏觀體系）所經歷的任何過程都是不可逆的，不同的宏觀過程的不可逆性是相互等價的。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？
  • 熱學:熱力學定律
    二、熱力學第二定律在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律是熱力學第二定律。2.對熱力學第二定律的理解熱力學第二定律的兩種表述都有「而不引起其他變化」，這是我們理解這一定律的關鍵。這個過程可以向一個方向自發地進行，但是向相反的方向不會自發進行。要實現相反方向的過程，必須藉助外界幫助，因而產生了其他影響或引起其他變化。也就是說在引起了其他變化的情況下，熱量也可以從低溫物體傳到高溫物體。
  • 由「熱力學第二定律」想到的
    今天看到了一個新名詞「熱力學第二定律」，這好像以前在高中物理書上學到過，只可惜年歲漸長，知識卻慢慢還給老師了。「熱力學第二定律」，意思是說一個孤立的系統會自發地朝著一個熱平衡狀態去演變，這個熱平衡狀態即最大熵。
  • 以熱力學定律的名義
    熱力學第二定律和哥德爾不完備定理、測不準原理和光的波粒二相性一起，成了人文學者最喜歡引用的四大「科學原理」。　　但是高中物理並不介紹熱力學第二定律，許多經常把這一定律掛在嘴上的人，實際上並不理解它講的是什麼。
  • 捋一捋熱力學第零、第一、第二、第三定律都說了些什麼?
    捋一捋熱力學第零、第一、第二、第三定律都說了些什麼？一，熱力學第零定律首先我們來看一看，什麼是熱力學第零定律。說起來這個第零定律，他還有一段歷史，在人們發現熱力學第一、第二、第三定律以後，人們發現，有一個比第一定律，還要更基本的熱力學定律，但由於第一定律已經被佔用，就將其命名為熱力學第零定律。（有這麼一種說法）熱力學第零定律指，當一個熱力學系統A和另外兩個熱力學系統B、C分別達到熱平衡狀態時，那麼熱力學系統B、C也是熱平衡狀態。
  • 坤鵬論:滿滿哲學味道的熱力學第二定律 它是宇宙級的基本規律
    今天，坤鵬論繼續分享對於熱力學第二定律的學習。熱力學第二定律，以抽象、難以理解著稱。但是，它確實是一個很有哲學意味的定律。不僅表明了熱量轉換的定律，熱機效率的限制，能量質量概念的引入，以及由此而引出的熵的概念。
  • 熱力學定律和能量守恆
    2.熱力學第二定律(1)熱力學第二定律的兩種表述①克勞修斯表述：熱量不能 自發地 從低溫物體傳到高溫物體。（第一類永動機是違反「能量守恆定律」。關於第一類永動機可點擊藍色字體參考前文：汽車加水就能行，永動機再版？）(2)用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會 減小 。
  • 思維模型30 - Second Law of Thermodynamics|熱力學第二定律
    我認為，熵增定律——熱力學第二定律——在自然界的定律中具有至高無上的地位。如果你的理論被發現違背了熱力學第二定律，你就一點希望都沒有，結局必然是徹底崩塌。其實，我在學習熱力學第二定律這個思維模型之前，從來沒覺得會有一個思維模型讓我把三觀給顛覆了。即使到現在，這個概念對我帶來的影響，真就像王興說的那樣，深刻的不寒而慄。
  • 熱力學第二定律,至今還有值得思考的地方,你認為呢?
    熱力學第二定律，至今還有值得思考的地方，你認為呢？ 熱力學第二定律：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。【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。
  • 「悟理學院27」時間的箭頭——熱力學第二定律
    近代工業革命由蒸汽機開啟，而對蒸汽機性能的研究，卻最終揭開了熱力學第二定律的面紗。隨著對熱機工作最高效率的研究，卡諾、開爾文、克勞修斯和玻爾茲曼等人不斷完善理論，最終形成了熵的概念和熱力學第二定律的不同表述。主講人簡介：葉方富，中科院物理所研究員、軟物質與生物物理實驗室副主任，中國科學院大學溫州研究院副院長。
  • 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？）
  • 熱力學第二定律要被科學家實驗推翻?麥克斯韋妖要出現才對
    作為科普圈一員，小編算是很關注行業動態的，最近一條科學新聞刷了小編的屏，話說一位巴西科學家做了一個實驗，被很多外行媒體帶了一波節奏，最後標題成了「疑似推翻了熱力學第二定律」。熱力學第二定律這條定律可以說是這個宇宙鐵的不能再鐵的鐵律了，所以熱二定律被推翻，不存在的，至少本世紀看不到希望。我們的宇宙最終會變成一團漿糊其實這個實驗不僅沒有推翻熱力學第二定律，反而麥克斯韋妖可能要找到了。