| 熱力學四大規(guī)律——人類最偉大的十個科學發(fā)現之九 |
| 作者：塔米姆·… 文章來源：科技園 |
| 本站將陸續(xù)推出這十大科學發(fā)現的故事，它們分別是勾股定理、微生物的存在、三大運動定律、物質結構、血液循環(huán)、電流、物種進化、基因、熱力學四大定律、光的波粒二相性，敬請關注。 熱力學四大規(guī)律——人類最偉大的十個科學發(fā)現之九 塔米姆·安薩利 18世紀，卡諾等科學家發(fā)現在諸如機車、人體、太陽系和宇宙等系統中，從能量轉變成“功”的四大定律。沒有這四大定律的知識，很多工程技術和發(fā)明就不會誕生。 熱力學的四大定律簡述如下： 熱力學第零定律——如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。 熱力學第一定律——能量守恒定律在熱學形式的表現。 熱力學第二定律——力學能可全部轉換成熱能，但是熱能卻不能以有限次的實驗操作全部轉換成功（熱機不可得）。 熱力學第三定律——絕對零度不可達到但可以無限趨近。 卡諾身處蒸汽機迅速發(fā)展、廣泛應用的時代，他看到從國外進口的尤其是英國制造的蒸汽機，性能遠遠超過自己國家生產的，便決心從事熱機效率問題的研究。他獨辟蹊徑，從理論的高度上對熱機的工作原理進行研究， 卡諾出色地運用了理想模型的研究方法，以他富于創(chuàng)造性的想象力，精心構思了理想化的熱機——后稱卡諾可逆熱機（卡諾熱機），提出了作為熱力學重要理論基礎的卡諾循環(huán)和卡諾定理，從理論上解決了提高熱機效率的根本途徑。 卡諾在這篇論文中指出了熱機工作過程中最本質的東西：熱機必須工作于兩個熱源之間，才能將高溫熱源的熱量不斷地轉化為有用的機械功；明確了“熱的動力與用來實現動力的介質無關，動力的量僅由最終影響熱素傳遞的物體之間的溫度來確定”，指明了循環(huán)工作熱機的效率有一極限值，而按可逆卡諾循環(huán)工作的熱機所產生的效率最高。實際上卡諾的理論已經深含了熱力學第二定律的基本思想，但由于受到熱質說的束縛，使他當時未能完全探究到問題的底蘊。 熱力學第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關系。 德國物理學家、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)遠航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同，發(fā)現體力和體熱來源于食物中所含的化學能，提出如果動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)，去探索熱和機械功的關系。他將自己的發(fā)現寫成《論力的量和質的測定》一文，但他的觀點缺少精確的實驗論證，論文沒能發(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)奮進一步學習數學和物理學。1842年他發(fā)表了《論無機性質的力》的論文，表述了物理、化學過程中各種力（能）的轉化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人。但1842年發(fā)表的這篇科學杰作當時未受到重視。 將能量守恒定律應用到熱力學上，就是熱力學第一定律。 英國物理學家開爾文（Lord Kelvin，1824-1907）（如下左圖）在法國學習時，偶爾讀到克拉派隆的文章，才知道有卡諾的熱機理論。然而，他找遍了各圖書館和書店，都無法找到卡諾的1824年論著。實際上，他根據克拉派隆介紹卡諾理論寫的《建立在卡諾熱動力理論基礎上的絕對溫標》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年開爾文從熱功轉換的角度提出了熱力學第二定律的另一種說法，不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其他影響；或不可能用無生命的機器把物質的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機械功。 英國物理學家克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）（如下左圖）是經典電磁理論的奠基人。但他興趣廣泛，才智過人，不但是建立各種模型來類比不同物理現象的能手，更是運用數學工具來分析物理問題的大師。他在熱力學領域中也做出了貢獻。1859年他用統計方法導出了處于熱平衡態(tài)中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。 1906年，德國物理化學家能斯特（Walther Hermann Nernst,1864-1941）（如下左圖）根據對低溫現象的研究，得出了熱力學第三定律，人們稱之為“能斯特熱定理”，有效地解決了計算平衡常數問題和許多工業(yè)生產難題，因此獲得了1920年諾貝爾化學獎。主要著作有：《新熱定律的理論與實驗基礎》等。 德國物理學家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947)（如上右圖）是量子物理學的開創(chuàng)者和奠基人，他早期的研究領域主要是熱力學，他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。他在能斯特研究的基礎上，利用統計理論指出：各種物質的完美晶體在絕對零度時熵為零。1911年普朗克也提出了對熱力學第三定律的表述，即“與任何等溫可逆過程相聯系的熵變，隨著溫度的趨近于零而趨近于零”。 通常是將熱力學第一定律及第二定律作為熱力學的基本定律，但有時增加能斯特定理當作第三定律，又有時將溫度存在定律當作第零定律。 熱力學第零定律用來作為進行體系測量的基本依據，其重要性在于它說明了溫度的定義和溫度的測量方法。表述如下： 1、可以通過使兩個體系相接觸，并觀察這兩個體系的性質是否發(fā)生變化而判斷這兩個體系是否已經達到平衡。 2、當外界條件不發(fā)生變化時，已經達成熱平衡狀態(tài)的體系，其內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，一個體系的溫度可以通過另一個與之平衡的體系的溫度來表達；或者也可以通過第三個體系的溫度來表達。 |
