| 熱力學(xué)四大規(guī)律——人類最偉大的十個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之九 |
| 作者：塔米姆·… 文章來(lái)源：科技園 |
| 本站將陸續(xù)推出這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事，它們分別是勾股定理、微生物的存在、三大運(yùn)動(dòng)定律、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、血液循環(huán)、電流、物種進(jìn)化、基因、熱力學(xué)四大定律、光的波粒二相性，敬請(qǐng)關(guān)注。 熱力學(xué)四大規(guī)律——人類最偉大的十個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之九 塔米姆·安薩利 18世紀(jì)，卡諾等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在諸如機(jī)車、人體、太陽(yáng)系和宇宙等系統(tǒng)中，從能量轉(zhuǎn)變成“功”的四大定律。沒(méi)有這四大定律的知識(shí)，很多工程技術(shù)和發(fā)明就不會(huì)誕生。 熱力學(xué)的四大定律簡(jiǎn)述如下： 熱力學(xué)第零定律——如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。 熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律在熱學(xué)形式的表現(xiàn)。 熱力學(xué)第二定律——力學(xué)能可全部轉(zhuǎn)換成熱能，但是熱能卻不能以有限次的實(shí)驗(yàn)操作全部轉(zhuǎn)換成功（熱機(jī)不可得）。 熱力學(xué)第三定律——絕對(duì)零度不可達(dá)到但可以無(wú)限趨近。 卡諾身處蒸汽機(jī)迅速發(fā)展、廣泛應(yīng)用的時(shí)代，他看到從國(guó)外進(jìn)口的尤其是英國(guó)制造的蒸汽機(jī)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自己國(guó)家生產(chǎn)的，便決心從事熱機(jī)效率問(wèn)題的研究。他獨(dú)辟蹊徑，從理論的高度上對(duì)熱機(jī)的工作原理進(jìn)行研究， 卡諾出色地運(yùn)用了理想模型的研究方法，以他富于創(chuàng)造性的想象力，精心構(gòu)思了理想化的熱機(jī)——后稱卡諾可逆熱機(jī)（卡諾熱機(jī)），提出了作為熱力學(xué)重要理論基礎(chǔ)的卡諾循環(huán)和卡諾定理，從理論上解決了提高熱機(jī)效率的根本途徑。 卡諾在這篇論文中指出了熱機(jī)工作過(guò)程中最本質(zhì)的東西：熱機(jī)必須工作于兩個(gè)熱源之間，才能將高溫?zé)嵩吹臒崃坎粩嗟剞D(zhuǎn)化為有用的機(jī)械功；明確了“熱的動(dòng)力與用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的介質(zhì)無(wú)關(guān)，動(dòng)力的量?jī)H由最終影響熱素傳遞的物體之間的溫度來(lái)確定”，指明了循環(huán)工作熱機(jī)的效率有一極限值，而按可逆卡諾循環(huán)工作的熱機(jī)所產(chǎn)生的效率最高。實(shí)際上卡諾的理論已經(jīng)深含了熱力學(xué)第二定律的基本思想，但由于受到熱質(zhì)說(shuō)的束縛，使他當(dāng)時(shí)未能完全探究到問(wèn)題的底蘊(yùn)。 熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關(guān)系。 德國(guó)物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾（Julius Robert Mayer，1814-1878）（如下左圖）1840年2月到1841年2月作為船醫(yī)遠(yuǎn)航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同，發(fā)現(xiàn)體力和體熱來(lái)源于食物中所含的化學(xué)能，提出如果動(dòng)物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到啟發(fā)，去探索熱和機(jī)械功的關(guān)系。他將自己的發(fā)現(xiàn)寫成《論力的量和質(zhì)的測(cè)定》一文，但他的觀點(diǎn)缺少精確的實(shí)驗(yàn)論證，論文沒(méi)能發(fā)表（直到1881年他逝世后才發(fā)表）。邁爾很快覺察到了這篇論文的缺陷，并且發(fā)奮進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1842年他發(fā)表了《論無(wú)機(jī)性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過(guò)程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律并計(jì)算出熱功當(dāng)量的人。但1842年發(fā)表的這篇科學(xué)杰作當(dāng)時(shí)未受到重視。 將能量守恒定律應(yīng)用到熱力學(xué)上，就是熱力學(xué)第一定律。 英國(guó)物理學(xué)家開爾文（Lord Kelvin，1824-1907）（如下左圖）在法國(guó)學(xué)習(xí)時(shí)，偶爾讀到克拉派隆的文章，才知道有卡諾的熱機(jī)理論。然而，他找遍了各圖書館和書店，都無(wú)法找到卡諾的1824年論著。實(shí)際上，他根據(jù)克拉派隆介紹卡諾理論寫的《建立在卡諾熱動(dòng)力理論基礎(chǔ)上的絕對(duì)溫標(biāo)》一文在1848年發(fā)表。1849年，開爾文終于弄到一本他盼望已久的卡諾著作。1851年開爾文從熱功轉(zhuǎn)換的角度提出了熱力學(xué)第二定律的另一種說(shuō)法，不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響；或不可能用無(wú)生命的機(jī)器把物質(zhì)的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機(jī)械功。 英國(guó)物理學(xué)家克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）（如下左圖）是經(jīng)典電磁理論的奠基人。但他興趣廣泛，才智過(guò)人，不但是建立各種模型來(lái)類比不同物理現(xiàn)象的能手，更是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具來(lái)分析物理問(wèn)題的大師。他在熱力學(xué)領(lǐng)域中也做出了貢獻(xiàn)。1859年他用統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)出了處于熱平衡態(tài)中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。 1906年，德國(guó)物理化學(xué)家能斯特（Walther Hermann Nernst,1864-1941）（如下左圖）根據(jù)對(duì)低溫現(xiàn)象的研究，得出了熱力學(xué)第三定律，人們稱之為“能斯特?zé)岫ɡ?#8221;，有效地解決了計(jì)算平衡常數(shù)問(wèn)題和許多工業(yè)生產(chǎn)難題，因此獲得了1920年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。主要著作有：《新熱定律的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》等。 德國(guó)物理學(xué)家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947)（如上右圖）是量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，他早期的研究領(lǐng)域主要是熱力學(xué)，他的博士論文就是《論熱力學(xué)的第二定律》。他在能斯特研究的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)理論指出：各種物質(zhì)的完美晶體在絕對(duì)零度時(shí)熵為零。1911年普朗克也提出了對(duì)熱力學(xué)第三定律的表述，即“與任何等溫可逆過(guò)程相聯(lián)系的熵變，隨著溫度的趨近于零而趨近于零”。 通常是將熱力學(xué)第一定律及第二定律作為熱力學(xué)的基本定律，但有時(shí)增加能斯特定理當(dāng)作第三定律，又有時(shí)將溫度存在定律當(dāng)作第零定律。 熱力學(xué)第零定律用來(lái)作為進(jìn)行體系測(cè)量的基本依據(jù)，其重要性在于它說(shuō)明了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。表述如下： 1、可以通過(guò)使兩個(gè)體系相接觸，并觀察這兩個(gè)體系的性質(zhì)是否發(fā)生變化而判斷這兩個(gè)體系是否已經(jīng)達(dá)到平衡。 2、當(dāng)外界條件不發(fā)生變化時(shí)，已經(jīng)達(dá)成熱平衡狀態(tài)的體系，其內(nèi)部的溫度是均勻分布的，并具有確定不變的溫度值。 3、一切互為平衡的體系具有相同的溫度，所以，一個(gè)體系的溫度可以通過(guò)另一個(gè)與之平衡的體系的溫度來(lái)表達(dá)；或者也可以通過(guò)第三個(gè)體系的溫度來(lái)表達(dá)。 |
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