熱力學(xué)四大定律

人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)之九：熱力學(xué)四大定律18世紀(jì)，卡諾等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在諸如機車、人體、太陽系和宇宙等系統(tǒng)中，從能量轉(zhuǎn)變成“功”的四大定律。沒有這四大定律的知識，很多工程技術(shù)和發(fā)明就不會誕生。熱力學(xué)的四大定律簡述如下：熱力學(xué)第零定律一一如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學(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)第一定律一一能量守恒定律在熱學(xué)形式的表現(xiàn)。熱力學(xué)第二定律一一力學(xué)能可全部轉(zhuǎn)換成熱能，但是熱能卻不能以有限次的實驗操作全部轉(zhuǎn)換成功（熱機不可得）。熱力學(xué)第三定律 絕對零度不可達到但可以無限趨近。REri.EXIOHSPUISS1NCEAIOTKICEDU曲UIIPUISS1NCEAIOTKICEDU曲UIISURLESMiCHnVESjiDmizhEx^n-orjciruir^uiWiHCi.I'm鳳G4llFfOTiAPAIU3,CflEXbiunELILk,L3BHAILE,法國物理學(xué)家卡諾（NicolasLeonardSadiCarnot,1796?1823）（左圖）生于巴黎。其父L.卡諾是法國有名的數(shù)學(xué)家、將軍和政治活動家，學(xué)術(shù)上很有造詣，對卡諾的影響很大。卡諾身處蒸汽機迅速發(fā)展、廣泛應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過自己國家生產(chǎn)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，以期得到普遍性的規(guī)律；1824年他發(fā)表了名著《談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機器》（右圖），書中寫道：“為了以最普遍的形式來考慮熱產(chǎn)生運動的原理，就必須撇開任何的機構(gòu)或任何特殊的工作介質(zhì)來進行考慮，就必須不僅建立蒸汽機原理，而且建立所有假想的熱機的原理，不論在這種熱機里用的是什么工作介質(zhì)，也不論以什么方法來運轉(zhuǎn)它們?！?/p>

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(gòu)思了理想化的熱機一一后稱卡諾可逆熱機（卡諾熱機），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(zhì)的東西：熱機必須工作于兩個熱源之間，才能將高溫?zé)嵩吹臒崃坎粩嗟剞D(zhuǎn)化為有用的機械功；明確了“熱的動力與用來實現(xiàn)動力的介質(zhì)無關(guān)，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(chǎn)生的效率最高。實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)說的束縛，使他當(dāng)時未能完全探究到問題的底蘊。1832年8月24日卡諾因染霍亂癥在巴黎逝世，年僅36歲。按照當(dāng)明的防疫條例，霍亂病者的遺物一律付之一炬。卡諾生前所寫的大量手稿被燒毀，幸得他的弟弟將他的小部分手稿保留了下來，其中有一篇是僅有21頁紙的論文----《關(guān)于適合于表示水蒸汽的動力的公式的研究》，其余內(nèi)容是卡諾在1824-1826年間寫下的23篇論文。后來，卡諾的學(xué)術(shù)地位隨著熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)，熱力學(xué)第一定律、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律及熱力學(xué)第二定律相繼被揭示的過程慢慢形成了。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。德國物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾（JuliusRobertMayer，1814?1878）（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)體力和體熱來源于食物中所含的化學(xué)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(guān)系。他將自己的發(fā)現(xiàn)寫成《論力的量和質(zhì)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(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1842年他發(fā)表了《論無機性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過程中各

種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量以后英國杰出的物理學(xué)家焦耳的人。但1842年發(fā)表的這篇科學(xué)杰作當(dāng)時未受到重視。以后英國杰出的物理學(xué)家焦耳(JamesPrescortJoule,1818?1889)（右圖）、德國物理學(xué)家亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz,1821?1894）等人又各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。1843年8月21日焦耳在英國科學(xué)協(xié)會數(shù)理組會議上宣讀了《論磁電的熱效應(yīng)及熱的機械值》論文，強調(diào)了自然界的能是等量轉(zhuǎn)換、不會消滅的，哪里消耗了機械能或電磁能，總在某些地方能得到相當(dāng)?shù)臒?。焦耳用了?0年的時間，不懈地鉆研和測定了熱功當(dāng)量。他先后用不同的方法做了400多次實驗，得出結(jié)論：熱功當(dāng)量是一個普適常量，與做功方式無關(guān)。他自己1878年與1849年的測驗結(jié)果相同。后來公認(rèn)值是427千克重?米每千卡。這說明了焦耳不愧為真正的實驗大師。他的這一實驗常數(shù)，為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律提供了無可置疑的證據(jù)。1847年，亥姆霍茲（左圖）發(fā)表《論力的守恒》，第一次系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程，揭示其運動形式之間的統(tǒng)一性，它們不僅可以相互轉(zhuǎn)化，而且在量上還有一種確定的關(guān)系。能量守恒與轉(zhuǎn)化使物理學(xué)達到空前的綜合與統(tǒng)一。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。

熱力學(xué)第二定律是在能量守恒定律建立之后，在探討熱力學(xué)的宏觀過程中而得出的一個重要的結(jié)論。1834年，卡諾去世兩年后，卡諾的《談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機器》才有了第一個認(rèn)真的讀者——克拉派隆(BenoitPaulEmileClapeyron,1799-1864)(右圖)。他比卡諾低幾個年級。他在學(xué)院出版的雜志上發(fā)表了題為《論熱的動力》的論文，用P-V曲線翻譯了卡諾循環(huán)，但未引起學(xué)術(shù)界的注意。英國物理學(xué)家開爾文(LordKelvin，1824-1907)(左圖)在法國學(xué)習(xí)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(jù)克拉派隆介紹卡諾理論寫的《建立在卡諾熱動力理論基礎(chǔ)上的絕對溫標(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；或不可能用無生命的機器把物質(zhì)的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機械功。1877年,奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（LudwigEduardBoltzmann，1877年,奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（LudwigEduardBoltzmann，德國物理學(xué)家克勞修斯（RudolphJuliusEmmanuelClausius,1822-1888）（右圖）一直沒弄到卡諾原著，只是通過克拉派隆和開爾文的論文熟悉了卡諾理論。1850年克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學(xué)第二定律的表述：熱量不可能自發(fā)地、不花任何代價地從低溫物體傳向高溫物體，他還首先提出了熵的概念。英國物理學(xué)家克拉克.麥克斯韋（JamesClerkMaxwell,1831?1879）（左圖）是經(jīng)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(xiàn)象的能手，更是運用數(shù)學(xué)工具來分析物理問題的大師。他在熱力學(xué)領(lǐng)域中也做出了貢獻。1859年他用統(tǒng)計方法導(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”1844?1906）（右圖）發(fā)現(xiàn)了宏觀的熵與體系的熱力學(xué)幾率的關(guān)系。他在使科學(xué)界接受熱力學(xué)理論、尤其是熱力學(xué)第二定律方面立下了汗馬功勞。

1906年,德國物理化學(xué)家能斯特1906年,德國物理化學(xué)家能斯特（WaltherHermannNernst,1864?1941）（左圖）根據(jù)對低溫現(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怼庇行У亟鉀Q了計算平衡常數(shù)問題和許多工業(yè)生產(chǎn)難題，因此獲得了1920年諾貝爾化學(xué)獎。主要著作有：《新熱定律的理論與實驗基礎(chǔ)》等。德國物理學(xué)家普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858?1947)（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)計理論指出：各種物質(zhì)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(xué)第三定律的表述，即“與任何等溫可逆過程相聯(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，但有時增加能斯特定理當(dāng)作第三定律，又有時將溫度存在定律當(dāng)作第零定律。熱力學(xué)第零定律用來作為進行體系測量的基本依據(jù)，其重要性在于它說