卡諾循環,永動機,絕對零度......這些名詞都源自同一個物理學領域?

2021-01-14 Robin博士

  圖|《植物大戰殭屍》中的鍋爐殭屍(來源:新浪科技)


卡諾循環,永動機,絕對零度等都是來自經典熱力學的術語。


熱力學是研究熱現象中物態轉變和能量轉換規律的學科。它著重研究物質的平衡狀態以及與準平衡態的物理、化學過程。熱力學定義許多宏觀的物理量(像溫度、內能、熵、壓強等),描述各物理量之間的關係。熱力學描述數量非常多的微觀粒子的平均行為,其定律可以用統計力學推導而得。

 

熱力學定律可以總結為四條:

 

熱力學第零定律定義了溫度這一物理量,指出了相互接觸的兩個系統,熱流的方向。


熱力學第一定律指出內能這一物理量的存在,並且與系統整體運動的動能和系統與環境相互作用的勢能是不同的,區分出熱與功的轉換。簡單來說就是能量守恆定律


熱力學第二定律涉及的物理量是溫度和熵。熵是研究不可逆過程引入的物理量,表徵系統透過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。簡單來說就是熵增定律


熱力學第三定律認為,不可能透過有限過程使系統冷卻到絕對零度。換句話來說,一切完美晶體的熵值等於零


熱力學可以應用在許多科學及工程的領域中,例如:引擎、相變化、化學反應、輸運現象甚至是黑洞。熱力學計算的結果不但對物理的其他領域很重要,對航空工程、航海工程、車輛工程、機械工程、細胞生物學、生物醫學工程、化學、化學工程及材料科學等科學技術領域也很重要,甚至也可以應用在經濟學中。

 

熱力學是從18世紀末期發展起來的理論,主要是研究功與熱量之間的能量轉換;在此功定義為力與位移的內積;而熱則定義為在熱力系統邊界中,由溫度之差所造成的能量傳遞。兩者都不是存在於熱力系統內的性質,而是在熱力過程中所產生的。

 

熱力學的研究一開始是為了提升蒸汽引擎的效率,早期尼古拉·卡諾(曾提出著名的卡諾循環)有許多的貢獻,他認為若引擎效率提升,法國有可能贏得拿破崙戰爭。




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    但是我們必須要指出,永動機不可能在我們宇宙中存在,人類永遠無法製造它。這是經過科學家通過實驗、理論得出的結果。在早期,人類對於永動機的定義是某物質循環一周回復到初始狀態,不吸熱而向外放熱或做功,這種機器不消耗任何能量,卻可以源源不斷的對外做功,這叫「第一類永動機」。
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  • 人類設計的永動機,最後那個是真的「永動」!
    從一個側面也可以認為,人類對永動機的熱情以及製造永動機的種種實踐,推動了熱力學體系的建立和機械製造技術的進步。 ▲魔 輪 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
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