今天來點燒腦筋的:熱力學三大定律科普

2021-01-14 綠建節能方向標


        熱力學第一定律就是大家耳熟能詳的熱功當量,熱功當量的最初提出者好象並不是焦耳,但是焦耳在1840-1848年間的大量實踐工作測定了熱功之間的數據關係,使熱功當量為人熟知(回想我們的歷史吧,那時侯我們的主流們在做什麼?)。有很多表述形式:熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體,也可以與機械能或其他能量互相轉換,但是在轉換過程中,能量的總值保持不變。這個定律有很多表達形式,數學式的表達為:根據普遍的能量守恆定律,系統由初態Ⅰ經過任意過程到達終態Ⅱ後,內能的增量ΔU應等於在此過程中外界對系統傳遞的熱量Q 和系統對外界作功A之差,即UⅡ-UⅠ=ΔU=Q-A或Q=ΔU+A這就是熱力學第一定律的表達式。熱功當量被發明之後首先就是使人們放棄了幾百年來探尋永動機的幻想,因此該定律還有一種很便於理解的表達形式: 「不可能製造出第一類永動機」。熱力學第一定律就是涉及熱現象領域內的能量守恆和轉化定律。

         熱力學第二定律的發明在焦耳之後的三五年便被很多科學家幾乎同時提出了,比較有名的就是克勞修思和開爾文了。熱不可能自發地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體(克勞修斯的表述);不可能從單一熱源取熱,把它全部變為功而不產生其他任何影響(開爾文的表述)。這個定律的確立,再一次打破了人們試圖發明另一種永動機的幻想,因此這個定律又被描述成:第二類永動機無法被製造出來。克勞修斯算發現這個定律,那麼開爾文就算發明了一個方法。這個定律發明於1851年前後(回想我們在忙什麼?)第二定律打擊了很多人的信心,讓人們對世界喪失了信心,一度很多科技工作者陷入了「熱寂」的恐慌。不過未來還是屬於那些在困難面前永不停息的人們,熱力學第二定律雖然給人們從熱能中獲得動能設置了又一個障礙,但是有創造能力的人在未來近200年裡還是在不斷的提高這個效率並獲得更多種的能源轉化形式,為人類的文明發展提供動力。

           熱力學第三定律被更多的科學家發現和提出,而且關於他的表述也是多種多樣,時間跨度也最長,就如同一支支射向一個靶心的箭,並沒有告訴大家一個完美的答案,但是這一支支箭構成的輪廓可以讓我們使那個靶心逐漸的在我們心裡清晰起來。 1702年,法國物理學家阿蒙頓已經提到了「絕對零度」的概念。他從空氣受熱時體積和壓強都隨溫度的增加而增加設想在某個溫度下空氣的壓力將等於零。根據他的計算,這個溫度即後來提出的攝氏溫標約為-239°C,後來,蘭伯特更精確地重複了阿蒙頓實驗,計算出這個溫度為-270.3°C。1848年開爾文創立熱力學溫標,計算出絕對零度為-273°C。在這個絕對零度下原子的運動完全停止,所有氣體的體積為零,宇宙歸為一個盒子,但是這個絕對零度在自然界是不會有的,即使在宇宙最遠離恆星照耀的地方,也不會低於3K(-267°C),那是宇宙大爆炸留下來的。該定律有很多種表述形式,其中在化學領域裡一般用這種形式:在熱力學溫度零度(即T=0開)時,一切完美晶體的熵值等於零。熱力學一般用「不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度」(能斯特1912)來表達。1940年出現的「任何系統都不能通過有限的步驟使自身溫度降低到0K(絕對零度)」-就是絕對零度不能達到原理,這種通俗易懂的表達方式可以讓沒有多少物理學常識的人也能讀懂第三定律。熱力學第三定律雖然也給了人類一個障礙,但是他給人類留了一個出口,無限去做就會無限接近,目前世界各國的實驗室都能夠作到-273.14999999以下了。

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    3.熱力學第一定律的應用熱力學第一定律的表達式:ΔU=W+Q,揭示了能量的轉化和守恆定律,在實際中具有很廣泛的應用。在運用ΔU=W+Q分析問題時,首先必須理解表達式的物理意義,掌握它的符號法則:①.外界對物體做功,W取正值;物體對外界做功,W取負值。
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    有趣的是,這個過程最初似乎與物理學的基本定律相矛盾。如果你把一壺開水放在廚房的桌子上,它會逐漸冷卻下來。然而,它的溫度預計不會低於表的溫度。正是這種日常經驗闡明了物理學的一個基本定律(熱力學第二定律),一個封閉自然系統的熵必須隨著時間的推移而增加。或者,更簡單地說:熱本身只能從一個較熱的物體流向一個較冷的物體,而不是反過來。
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    熱力學第一定律(能量守恆定律)熱力學第一定律的內容就是能量守恆定律根據能量守恆定律U2=U1+Q+W或 △U=Q+W (1-4)式(1-4)即為熱力學第一定律的數學表達式,即系統內能的變化等於系統從環境吸收的熱量加上環境對系統做的功。
  • 熱力學第二定律,至今還有值得思考的地方,你認為呢?
    導讀:本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的,但世界的確定性不是我們能把我的。熱力學第二定律,至今還有值得思考的地方,你認為呢?也就是說,熱力學第二定律是一條機率的定律,它的結論不能由一條動力學方程來檢驗。看完下面的內容,你會知道最後是統計力學方程來運算的。但是其實本質回答,還不究竟。 本質上它還是「機率」定律。值得一提的事,玻爾茲曼本人因為研究此理論,不被認可,飽受爭議。後來上吊自殺。這段歷史,讀來讓人垂淚。2、由於熵增加原理,必然涉及到系統問題。