楊義峰:如湯探冷熱——熱的歷史與熱力學第零定律【雲裡·悟理-第15課】

2021-01-19 中科院物理所

20世紀初期，當人們回顧這段歷史，試圖把熱力學建成一個公理化的框架的時候，人們就發現正是溫度的概念構成了熱力學整個大廈的基礎。所以在1931年，科學家就提出了所謂的「熱力學第零定律」——如果兩個熱力學系統都與第三個系統處於熱平衡，則這兩個系統也必然處於熱平衡。這是什麼意思？我們來考慮兩個物體，它們開始可能都有不同的溫度，現在當我們把物體接觸在一塊的時候，經過一段的時間最終它們會達到一個平衡的狀態——也就是說它們的溫度、它們的宏觀的狀態、它們的冷熱程度不再隨著時間演化，我們就將這樣一個狀態叫做兩個物體處在一個熱平衡的狀態。


現在我們可以把它分開，我們用溫度計來對一個物體進行測量，溫度計會告訴我們關於這個物體它的冷熱的一個程度，也就是它的溫度。那麼在這個過程中溫度計也與這個物體達到了一個熱平衡，達到了在宏觀上不再發生變化的狀態，也就是說它的溫度處在一個穩定的狀態。


現在我們可以將溫度計再拿過來，來測量另一個物體。原則上我們溫度計的宏觀狀態也不應該再發生變化，也就是說這個物體它的溫度也應該是我們溫度計所指示的溫度。那麼如果這兩個物體不能處在一個熱平衡的狀態，也就是說溫度計當它和這個物體處於一個熱平衡狀態，然後再來測量這樣一個物體的時候，那麼它的宏觀狀態要發生改變，也就是說它的溫度要發生改變——這就意味著什麼呢？我們就沒有辦法為這兩個在我們看來冷熱程度相同的物體設定同一個溫度，那麼溫度的概念的基礎也就不存在了，溫度的概念的基礎不存在了，那整個熱力學的基礎也就不復存在了。


所以熱力學第零定律就告訴大家，整個熱力學現象，整個熱力學現象的基礎就是熱平衡。正是因為有了熱平衡，所以我們才能為物體來定一個溫度。大家可能會覺得這好像看起來非常簡單，非常平庸，並沒有什麼新奇的內容。但事實上這樣一種熱平衡的一種關係，並不是一個平庸的關係。


比如說我們有三個物體A、B、C，那麼A和B處於熱平衡狀態，B和C處於熱平衡狀態，那麼熱力學第零定律告訴我們什麼，就是A和C也處於熱平衡的狀態，這樣一個關係是一個傳遞關係。並不是自然界所有的關係都可以滿足這樣一個傳遞關係，比如說A是B的朋友，B是C的朋友，那麼A和C之間並不一定是朋友，他們可以是陌生人，甚至可以是情敵。所以正是在這樣一個簡單的事實的基礎之上，我們就延伸出了非常深刻的內容。


所以愛因斯坦說，一個理論如果它的前提越簡單，並且能夠說明的各種類型的問題越多，它就會給人越加深刻的印象。正是因為這樣，熱力學給愛因斯坦留下了非常深刻的印象。所以愛因斯坦他就認為熱力學它是唯一一個具有普適性內容的物理學理論，因此在熱力學的基本概念可以適用的範圍內，永遠不會被推翻。


好，我們今天的課就到這兒。相信大家通過這門課，會對熱學的歷史有了更深的了解，也理解愛因斯坦為什麼在開頭對熱力學有這麼高的評價。我們下次課就繼續講述關於熱學的內容。好，謝謝大家！

相關焦點

  • 院士物理科學課(十五):如湯探冷熱——熱的歷史與熱力學第零定律
    第十五課如湯探冷熱——熱的歷史與熱力學第零定律 主講人 楊義峰，中科院物理所研究員，博士生導師，課題組長，現從事強關聯和超導理論研究；1997年就讀北京大學物理系，2007年在德國馬普固態所獲博士學位，2010年回物理所工作，2015年受聘國科大崗位教授。
  • 葉方富:時間的箭頭——熱力學第二定律「雲裡·悟理-第27課」
    第二十七課時間的箭頭——熱力學第二定律主講人《雲裡 · 悟理》系列微課簡介悟世界之道 析萬物之理，歡迎來到今天的《雲裡·悟理》課堂，我是中科院物理所研究員葉方富，今天我給大家講熱力學第二定律。在之前的熱學課裡，楊義峰老師已經給大家介紹了溫度和熱這兩個非常重要的概念以及熱力學第一定律。我們從中知道了，熱的本質是什麼。但是整個熱力學框架裡，還缺非常重要的一塊，也就是熱力學過程的一個方向性問題。熱力學第二定律，正是這麼一個描述方向性的規律。
  • 楊義峰:出來「混」遲早要還的—— 能量守恆與熱力學第一定律【雲裡·悟理-第16課】
    什麼是絕對溫標我們上一次課已經講過。除了絕對溫標之外，我們的攝氏溫標、華氏溫標等等，都依賴於一個像水銀這樣的物質的熱脹冷縮（來工作）。那麼開爾文所思考的問題是，是不是存在不依賴於具體介質的這樣一個絕對的溫標。開爾文通過克拉珀龍了解到卡諾的理論之後就非常高興，但是他找遍整個城市的書店和圖書館都沒有找到卡諾的原著，最終是基於克拉珀龍的介紹的卡諾的理論發明了絕對溫標。
  • 能量守恆與熱力學第一定律雲裡·悟理-第16課
    《雲裡 · 悟理》系列微課簡介 ，今天給大家講我們熱學的第二講「能量守恆與熱力學第一定律」。在歷史上熱力學第一定律的建立和熱功當量的確定是由其他三位科學家實現的，他們分別是邁耶、焦耳和亥姆霍茲。這三個人他們的背景不同，他們的基礎也不同，所以他們就走了不同的路子，但是最終都達到了相同的結果。
  • 葉方富:時間的箭頭——熱力學第二定律【雲裡·悟理-第27課】
    我們甚至可以進一步推廣，實際上熱力學第二定律，除了這兩種描述以外，更深刻更廣泛地說，它說的就是，自然界裡一切涉及熱現象的宏觀過程 ，都是不可逆的。這裡面出現了一個新的概念，什麼叫不可逆，我們在說不可逆之前，先得界定一下，什麼叫做可逆。實際上我們在講可逆之前，又涉及到，另外一個概念叫做平衡態。
  • 熱力學傳奇之十四:熱力學第零定律是完結,也是開始
    第零定律由英國物理學家福勒提出，這位也是位大神，他的老丈人就是鼎鼎大名的盧瑟福，盧瑟福有一個學生就是量子論創始人玻爾，因為這層關係，他和整個量子學派關係不錯，他有兩個學生也是大名鼎鼎，一個是狄拉克，一個是錢德拉塞卡。
  • 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。
  • 熱力學第一定律
    在說熱力學第一定律之前，可先回顧一下前面曾提到過的熱力學第零定律，具體可參考「溫度和溫標」。
  • 高中物理熱力學三大定律總結
    3.能量守恆定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學技術領域聯繫起來。第一類永動機第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器。其不可能存在，因為違背的能量守恆定律。●關係熱力學第二定律的兩種表述（前2種）看上去似乎沒什麼關係，然而實際上他們是等效的，即由其中一個，可以推導出另一個。●意義熱力學第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。
  • 高中物理:熱力學三大定律複習總結
    3.能量守恆定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學技術領域聯繫起來。第一類永動機第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器。●關係熱力學第二定律的兩種表述（前2種）看上去似乎沒什麼關係，然而實際上他們是等效的，即由其中一個，可以推導出另一個。●意義熱力學第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。●微觀意義一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。
  • 熱力學第二定律的來源
    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。
  • 熱力學三大基本定律是什麼?一文帶你搞懂
    熱力學在發展過程中形成了三大基本定律，它們構成了熱力學的核心。熱力學第一定律：能量守恆定律德國物理學家邁爾從1840年起就開始研究自然界各種現象間的轉化和聯繫。在他的論文《與有機運動相聯的新陳代謝)中，把熱看作「力」(能量)的一一種形式，他指出"熱是能夠轉比為運動的力「。
  • 物理故事-熱力學定律與奇點疑難
    這一定理，其實也是熱力學第二定律的一種表述。但卡諾非常不幸，在他36歲那一年，患了猩紅熱、腦膜炎、霍亂，不治身亡。他死後，由於怕傳染，家中把他的所有遺物，包括筆記、論文手稿全部燒毀。幸運的是，他的一個筆記本被遺忘在閣樓上，而於40年後被他的弟弟發現。從這本筆記中可以看到，卡諾當時已對熱質說產生了懷疑，他已經認識到熱可能是能量。
  • 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？）
  • 熱力學第一定律(1)
    好了，說完了焦耳，我們回到熱一定律。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。
  • 【物理定律】熱力學三大定律,你全都知道嗎?
    對於無限小過程，熱力學第一定律的微分表達式為 　　δQ＝dU＋δW因U是態函數，dU是全微分[1]；Q、W是過程量，δQ和δW只表示微小量並非全微分，用符號δ以示區別。又因ΔU或dU只涉及初、終態，只要求系統初、終態是平衡態，與中間狀態是否平衡態無關。 　　熱力學第一定律的另一種表述是：第一類永動機是不可能造成的。
  • 熱學:熱力學定律
    一、熱力學第一定律1.改變物體內能的兩種方式做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式。做功和熱傳遞在改變物體的內能上是等效的。熱力學第一定律是跟熱現象有關的物理過程中能量守恆定律的特殊表達形式，它說明功、熱量與內能改變之間的定量關係。指出在任何熱力學過程中能量不會有任何增加或損失。熱力學第二定律指出了能量轉化與守恆能否實現的條件和過程進行的方向，它說明一切與熱現象有關的實際宏觀過程是不可逆的。
  • 熱力學第二定律不是「天經地義」的「鐵律」
    當將一根鋼筋棍的下端揷入鋼水中燒紅,然後又將燒紅的下端揷入冷水中冷卻,手握的上端並不跟著冷卻,卻是越來越熱,,好像原來鋼筋棍下端的熱被冷卻驅趕至手握端,使人感覺冷能驅趕熱,使熱從冷處流向熱。顯然這是違反熱力學第二定律的實例。2 .
  • 熱力學定律和能量守恆
    1.熱力學第一定律(1)改變物體內能的兩種方式① 做功 ② 熱傳遞(2)熱力學第一定律①內容：一個熱力學系統的內能增量等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功②表達式：對熱力學第一定律的理解(1)熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能的過程是等效的，而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關係。此定律是標量式，應用時功、內能、熱量的單位應統一為國際單位焦耳。
  • 「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。