如何理解热力学第一定律在宇宙研究中的应用

热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，那么它们也一定处于热平衡热力学第一定律:如果一个系统与环境隔绝，其内能不会改变。得出一个系统的内能变化等于它从环境中吸收的热量与环境对它所做的功之和。(delta)U=(delta)w+(delta)q热力学第二定律有几种表达方式:克劳修斯陈述热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体；开尔文-普朗克指出，不可能从单一热源吸收热量，并在没有其他影响的情况下将这些热量转化为功。熵表达式:随着时间的推移，孤立系统中的熵永远不会减少。热力学第三定律:通常表示为绝对零度，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。R.H. Feller和E.A. Guggenheim还提出了热力学第三定律的另一种表述:没有一个系统可以通过有限的步骤将其温度降低到0k，这被称为0K无法达到的原理。热力学第一定律在19世纪早期，很多人都沉迷于一种神秘的机器，它只需要一个初始力就能让它工作，然后它不需要任何动力和燃料，却能自动持续做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直在讨论制造永动机的可能性。这种不需要外界能量的永动机被称为第一种永动机。热力学第一定律是能量守恒定律，意思是能量可以从一种形式变成另一种形式，但其总量既不能增加也不能减少，是守恒的。本世纪初，爱因斯坦发现能量和质量可以相互转化，于是将能量守恒定律改为质量和能量守恒定律。该定律指出物质既不能被消灭，也不能被创造，一度被无神论者视为宇宙的永恒基础。热力学第一定律产生于:18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越重视热和功的转换。于是，热力学产生了。1798年，汤普森通过实验否定了热质的存在。德国博士、物理学家迈耶在1841-1843年期间提出了热和机械运动相互转化的观点，这是热力学第一定律第一次被提出。焦耳设计了测量热的电热当量和机械当量的实验，通过实验确定了热力学第一定律，补充了迈耶的论点。二、热力学第二定律人们认识到能量转化和守恒定律后，制造永动机的梦想并没有停止。许多人开始尝试从单一热源(如空气和海洋)吸收能量，并利用它来做功。热量的成功转换并不违反能量守恒。如果能够实现，人类将拥有几乎取之不尽的能源。地球上的水非常丰富，热容量很大。仅仅是将海水温度降低1℃，就能释放出足够现代社会几十万年的热量。如果我们从海水中吸收热量来做功，航行时就不需要携带燃料了！这种机械被称为第二种永动机。但是所有的实验都失败了，因为它违反了另一个自然基本定律:热力学第二定律。1824年，法国陆军工程师卡诺构想了一种既不对外做功又没有摩擦的理想热机。通过研究这种热机中两个不同温度的热源之间的热和功的简单循环(卡诺循环)，得出热机必须在两个热源之间做功，热机的效率只取决于与热源的温差。即使在理想状态下，热机的效率也不可能达到100%。即热量不能完全转化为功。1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律以及卡诺原理，指出自动机器不可能将热量从低温物体毫无变化地转移到高温物体，这就是热力学第二定律。很快，开尔文提出，不可能从单一热源获取热量，使其完全有用而没有其他影响；或者说不可能用无生命的机器将物质的任何部分冷却到周围最低温度以下，从而获得机械功。这是热力学第二定律的开尔文表达式。奥斯特瓦尔德是这样表述的:第二种永动机是造不成功的。关于热力学第二定律的说法很多，其中最流行的有两个:1。克劳修斯说:“不可能把热量从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化”。从高温到低温的传热过程可以自发进行。反之，可以进行从低温到高温的热量传递，但有条件，比如通过制冷机将热量从低温传递到高温。除了这部分能量的转换，必然会引起其他的变化，即它也会消耗电的功变成热，即在把热量从低温转移到高温的同时，又会消耗另一部分功变成热。2.开尔文的说法:“从单一热源中取出热量，不经过其他变化就完全变成功，这是不可能的”。这种说法的意思是，功向热的转化不能引起其他变化(如摩擦生热，机械功完全转化为热而没有其他变化)，但反过程会使热成功变化，除了这些能量转化，必然会引起其他变化，否则不会发生。克劳修斯和开尔文的两种说法其实是一致的。如果热量可以从低温转移到高温而不引起其他变化，那么热量就可以完全变成功而不引起其他变化。在上面的例子中，如果低温热源中的热量可以无条件地传递给高温热源，那么整个过程就是高温热源中的热量完全转化为功(低温时热量没有被消耗)并且没有发生其他变化(气体的状态没有发生变化)。也就是说，如果克劳修斯的陈述不成立，开尔文的陈述也不成立，两个陈述是一致的。当然，“第二类永动机造不出来”也是通俗的说法。热力学第二定律是人类从生产生活实践中总结出来的经验定律。它的命运并不像热力学第一定律那样一帆风顺。从诞生到20世纪初，它一直受到人们不断的批评和攻击。在各个时期，很多人试图用各种方式去否定它。他们大多想造出所谓的“第二类永动机”，当然都以失败告终。热力学第二定律含义丰富，解释了自然界能量转化方向的深刻规律。它描述了自动能量转移的方向:分子规则运动的机械能可以完全转化为分子不规则运动的热能；热能不能完全转化为机械能。克劳修斯理论和开尔文理论都揭示了传热和转化的不可逆过程:克劳修斯理论本质上是说传热过程是不可逆的；开尔文的理论本质上是说，功转化为热的过程是不可逆的。正是各种不可逆过程的内在联系，使得热力学第二定律的应用远远超出了热功转换的范畴，成为整个自然科学中的一个基本定律。然而，热力学第二定律有其适用范围。只能用来从宏观的角度看世界。单个分子等微观世界的运动，按热力学第二定律是不可能恒定的。对于宇宙这样的超客观世界来说，由于它是一个开放的非平衡系统，热力学第二定律无法解释其发展规律，所以随之而来的是非平衡态热力学来扩展热力学。3.热力学第三定律有降低温度的极限吗？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。他假设当空气的体积和压力随着温度的升高而增加时，空气的压力在一定温度下会等于零。根据他的计算，这个温度，也就是后来提出的摄氏温标，大约是-239℃。后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度是-270.3℃。他说，在这种“绝对寒冷”的情况下，空气会紧紧地挤在一起。他们的观点没有受到重视。直到盖伊·吕萨克定律的提出，绝对零度的观点才得到物理学界的普遍认可。现在我们知道绝对零度更准确的数值是-273.15℃。1848年，英国物理学家汤姆逊建立热温标时，重新提出绝对零度是温度的下限。随着低温技术的发展，人们在不断冲击低温极限，但越接近绝对零度，温度越难降低。1906年，德国化学物理学家沃尔特·能斯特(1864-1941)在观察低温现象和化学反应中发现了热力学定理。在1912中，能斯特也把这个定律表述为绝对零度不能达到的原理:“”这是热力学第三定律。根据热力学第三定律，绝对零度时一切都停止运动。绝对零度虽然不能达到，但可以无限接近。到目前为止，人类获得的最接近绝对零度的温度是0.5 NK (0.5× 10-9K)，这是由德国、美国、奥地利等国科学家组成的国际科研团队于2003年最新改写的。此外，还有人提出热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，那么它们也一定彼此处于热平衡。* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *他妈妈是女教师，家里兄弟姐妹很多。高中毕业后，他被哈雷大学录取，随后转到柏林大学学习。为了抚养弟弟妹妹，他不得不在学校做家教。从65438年到0850年，克劳修斯被聘为柏林大学副教授和柏林帝国炮兵工程学校讲师。同年，他仔细研究了热机过程，尤其是卡诺循环。克劳修斯在卡诺热机理论和机械热力学理论的基础上，逐步发现了热力学的基本现象，得到了热力学第二定律的克劳修斯陈述。在《论热的运动力……》中，克劳修斯首次提出了热力学第二定律的定义:“热不能从低温物体自动转移到高温物体。”这相当于热力学开尔文第二定律，即“你不可能制造一个循环作用的热机，只能从一个热源吸收热量并完全变成有用功，而其他物体并不改变任何东西”，这是热力学的重要理论基础。同时，他还导出了克劳修斯方程——气体的压强、体积、温度和普适常数之间的关系，修正了原有的范德瓦尔斯方程。1854年，克劳修斯首先提出了熵的概念，进一步发展了热力学理论。他把热力学定律表述为:宇宙的能量是不变的，而它的熵总是在增加。因为他引入了熵的概念，他制定了热力学第二定律，并使其应用更加广泛。从65438年到0855年，克劳修斯被聘为苏黎世大学的正教授，他在那里教了十二年书。期间，他不仅给大学生讲课，还积极进行科学探索。1857年，克劳修斯在研究气体动力学理论方面取得了巨大的成就，他提出了气体分子绕自身旋转的假说。这一年，他发表了《论我们称之为热能的动力型》一文。在这篇文章中，他认为气体分子的动能不仅是其直线运动，而且是分子中原子的旋转和振荡。这样，他正确地，尽管不是完全地(只有量子论能给出充分的解释)，确定了实际气体和理想气体之间的区别。同年，他还研究了电解质和电介质。他重新解释了盐的电解质溶液中分子的运动；他建立了固体的电介质理论。他还提出了一个描述分子极性和介电常数关系的方程。同时，他还提出了电解质分解的假说。这个假设后来被阿伦尼乌斯进一步发展成电解质理论。1858年，克劳修斯通过仔细研究，推导出气体分子平均自由程的公式，找出了分子平均自由程与分子大小和扩散系数的关系。同时，他还提出了分子运动的自由程分布定律。他的研究还为气体分子运动理论的建立做出了突出贡献。1860年，克劳修斯计算了气体分子的速度。后来，他确定气体对壁面的压力相当于分子撞击器壁面的平均值。利用平均方法结合概率论，他开辟了物理学的一个极其重要的领域，即他创立了统计物理学这门学科。克劳修斯在他的后期著作中推导出了一个可以表示受压力影响的物体的熔点(冰点)的方程，后来被称为克拉贝龙-克劳修斯方程。克劳修斯对科学研究的主要贡献是建立了热力学基础；同时，他还对分子运动理论和电解质、固体电介质理论做出了巨大贡献。鉴于他在物理学各个领域的贡献和成就，于1865当选为法国科学院院士。65438年至0867年，克劳修斯受聘于维尔茨堡大学任教授。他在这所大学教了两年书。在此期间(1868)，他被选为伦敦皇家学会主席。1869后，波恩大学教授。他在1870中首次提出了等功理论。1870到1871的战争中，克劳修斯的膝盖受了重伤，不得不把学生的实验课交给克莱门斯·凯特。这个人虽然被称为“老一辈”的代表，但他没有给继任者留下任何设备和仪器。也许是因为这个原因，虽然克劳修斯是当时最先进的物理学家，但是波恩大学的实验物理学没能得到应有的发展，没能形成一个科学学派。克劳修斯不仅在科学研究上取得了巨大的成就，在教学上也取得了很好的成绩。他在柏林大学、苏黎世大学、维尔茨堡大学和波恩大学任教超过30年。他培养的很多学生后来都成了知名学者，有的甚至成了世界闻名的物理学家。此外，除了大量的学术论文外，克劳修斯还出版了一些重要的专著，如《机械热理论》第一、二卷，《势函数与势》等。克劳修斯晚年不适当地将热力学第二定律引入整个宇宙，认为整个宇宙的温度会达到平衡，不会有热传递，从而成为所谓的热死状态，这就是克劳修斯首先提出的“热死理论”。热寂论否定了物质不灭的定性意义，无限扩大了热力学第二定律的适用范围。克劳修斯于1888年逝世，享年66岁。虽然克劳修斯晚年错误地提出了“热寂”理论，但他大半辈子在科学和教育方面做了大量有益的工作。特别是他奠定了热力学的理论基础，他的大量学术论文和专著是人类的宝贵财富，他在科学史上的成就不容否认。他真诚勤奋的精神也值得后人学习。2.开尔文(1824 ~ 1907)开尔文是英国著名的物理学家和发明家，原名w·唐慕孙。他是本世纪最伟大的人物之一，一位伟大的数学物理学家和电工。他被认为是大英帝国第一位物理学家，受到世界其他国家的赞赏。他赢得了一生中所有可能的荣誉。而这一切都是他配得上的，是他在漫长的一生中通过实际努力获得的。这些努力不仅使他出名和富有，而且赢得了广泛的声誉。1824开尔文于6月26日出生于爱尔兰贝尔法斯特。他从小聪明好学，10岁进入格拉斯哥大学预科。17岁时，曾立志说“科学在哪里带路，我们就在哪里继续攀登”。1845毕业于剑桥大学，大学期间获得兰格奖二等奖和史密斯奖一等奖。毕业后，他去了巴黎，与物理学家和化学家V. Regnaud一起工作了一年。1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学(当时物理学的别名)教授，任职53年。由于安装第一条大西洋海底电缆的功勋，英国政府于1866年封他为爵士，并于1892年晋升为开尔文勋爵，开尔文这个名字由此开始。1890 ~ 1895伦敦皇家学会主席。1877当选法国科学院院士。1904年任格拉斯哥大学校长，直到1907+17年2月在苏格兰尼瑟霍尔去世。开尔文的研究范围很广，在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理学、数学和工程应用等领域都做出了贡献。他一生发表论文600多篇，获得发明专利70种。他在当时的科学界享有很高的声誉，受到英国和欧美各国科学家和科学团体的高度尊重。他在热学、电磁学及其工程应用方面的研究是最好的。开尔文是热力学的主要奠基人之一，在热力学的发展中做出了一系列重大贡献。他根据盖·吕萨克、卡诺和克拉珀隆的理论，在1848年创立了热力学温标。他指出:“这种温标的特点是，它完全独立于任何特殊物质的物理性质。”这是现代科学中的标准温标。他是热力学第二定律的两个主要创始人之一(另一个是克劳修斯)。在1851中，他提出了热力学第二定律:“从单一热源吸收热量并使其完全有用而不受其他影响是不可能的。”这是公认的热力学第二定律的标准表述。还指出，如果这个定律不成立，就必须承认可以存在一种永动机，它可以通过冷却海水或土壤来无限地获得机械功，也就是所谓的第二种永动机。他从热力学第二定律断言，能量耗散是普遍趋势。1852年与焦耳合作进一步研究气体内能，改进了焦耳气体的自由膨胀实验，进行了气体膨胀的多孔塞实验，发现了焦耳-汤姆逊效应，即气体通过多孔塞绝热膨胀引起的温度变化现象。这一发现已成为获得低温的主要方法之一，并广泛应用于低温技术中。在1856中，他从理论上预言了一种新的热电效应，即电流流过温度不均匀的导体时，导体除了产生不可逆的焦耳热外，还会吸收或释放一定的热量(称为唐木孙热)。这种现象后来被称为汤姆逊效应。在电学方面，唐慕孙很有技巧地研究了各种各样的问题，从静电到瞬变电流。他揭示了傅立叶热传导理论和位势理论的相似性，讨论了法拉第的电作用传播概念，分析了振荡电路及其产生的交流电。他的文章影响了麦克斯韦，麦克斯韦向他求教，希望和他一起研究同一课题，并给予了很高的评价。开尔文在电磁理论和工程应用方面取得了卓越的成就。1848年，他发明了电象法，这是一种计算具有一定形状导体的电荷分布引起的静电场问题的有效方法。他深入研究了莱顿瓶的放电振荡特性，在1853发表了论文《莱顿瓶的振荡放电》，并计算了振荡频率，为电磁振荡的理论研究做出了开创性的贡献。他用数学方法对电磁场的本质进行了有益的探讨，试图用数学公式统一电功率和磁力。1846年，电、磁、电流的“力的运动图像法”顺利完成，这已经是电磁场理论的雏形了(如果再进一步，会对电磁波问题有更深的理解)。他曾在日记中写道:“如果我能以更特殊的方式重新审视与电磁和电流有关的物体的状态，我一定会超越我现在所知道的，但那当然是以后的事了。”他的伟大之处在于，他能毫无保留地向麦克斯韦介绍自己的全部研究成果，并鼓励麦克斯韦建立电磁现象的统一理论，为麦克斯韦最终完成电磁场理论奠定了基础。他非常重视理论联系实际。1875年预言城市将使用电力照明，1879年提出远距离输电的可能性。他的这些想法将来会实现的。1881年，他对电机进行了改造，大大提高了其实用价值。在电气仪表方面，他的主要贡献是建立电磁量的精确单位标准，设计各种精密测量仪器。他发明了镜式检流计(大大提高了测量灵敏度)、双臂电桥、虹吸记录仪(能自动记录电报信号)等，极大地促进了电测量仪器的发展。根据他的建议，英国科学协会在1861成立了电学标准委员会，为现代电学量的单位标准奠定了基础。在工程技术方面，从65438到0855，他研究了电缆中的信号传播，解决了长距离海底电缆通信的一系列理论和技术问题。经过三次失败和两年的研究和实验，开尔文终于在1858帮助安装了第一条大西洋海底电缆，这是一项众所周知的工作。他善于把教学、科研和工业应用结合起来，在教学中注重培养学生的实际工作能力。在格拉斯哥大学，他建立了英国第一个学生课外实验室。唐慕孙还将物理学应用于完全不同的领域。他研究了太阳热能的来源和地球的热平衡。他的方法可靠而有趣，但仅仅因为他不知道太阳和地球的能量来自核能，就不可能得到正确的结论。他试图用陨石落在太阳上或引力收缩来解释太阳热能的来源。1854左右，他估计太阳的“年龄”不到5×108，只有我们现在知道的数值的十分之一。从地球表面附近的温度梯度，唐慕孙试图推算出地球热的历史和年龄。他的估计还是太低了，只有4×108，而实际值大概是5×109。根据地质现象的演变，地质学家很快发现他的估计是错误的。他们无法反驳唐慕孙的数学，但他们肯定他的假设是错的。同样，生物学家也发现，唐慕孙给出的时间进程与最新的进化论概念相悖。这样的争论持续了很多年，唐慕孙完全不明白别人的反对是正确的。最后，直到发现了放射性和核反应，才彻底否定了唐慕孙假说的前提。流体力学，尤其是旋涡理论，成了唐慕孙最喜欢的科目之一。受亥姆霍兹工作的启发，他发现了一些有价值的定理。他这次航行的收获之一是在1876年发明了一种适用于铁船的特殊罗盘，后来被英国海军采用，一直使用到被现代陀螺罗盘取代。唐木孙的企业生产了许多磁罗盘和水深探测器，从中获得了巨大的利润。根据他的实践经验和理论知识，唐慕孙感到迫切需要统一电气单位。公制的引入使法国大革命向前迈进了一大步，但电学测量带来了全新的问题。高斯和韦伯奠定了绝对单位制的理论基础。“绝对”是指它们与具体的物质或标准无关，只取决于普遍的物理规律。如何确定绝对单位制中的比例，如何选择合适的倍数因子使其易于应用于工业，如何说服科技界接受这种单位制，都是重要而困难的工作。1861年，英国科学协会任命了一个委员会开始这项工作，汤慕孙是其中之一。他们努力了很多年，直到1881，当一个由唐慕孙和亥姆霍兹领导的国际代表大会在巴黎召开，另一个代表大会于1893年在芝加哥召开，他们才正式接受了这个新的单位制，并采用伏特、安培、法拉和欧姆作为电学单位，从此它们被广泛使用。但是单位制的问题没有解决，后来的一些会议改变了一些标准量的定义，它们的实际值也随之改变，虽然变化很小。开尔文一生谦虚勤奋，意志坚强，不怕失败，不屈不挠。关于处理困难的问题，他说:“我们都觉得困难必须正视，不能回避；我们应该牢记在心，并希望解决它。无论如何，每一个困难都必须有解决的办法，尽管我们可能一辈子都找不到。”他一生为科学事业不懈奋斗的精神将永远为后人所景仰。1896在庆祝他担任格拉斯哥大学教授50周年的大会上，他说，“有两个词最能代表我这50年来在科学研究中的奋斗，那就是‘失败’。”这足以说明他的谦虚。为了纪念他的科学成就，国际计量大会将热力学温标(即绝对温标)称为开尔文温标，热力学温度以开尔文为单位，开尔文是现行国际单位制中的七个基本单位之一。凯尔文的生活非常成功。他可以被认为是世界上最伟大的科学家之一。当他于1907 12 17去世时，几乎全英国和全世界的科学家都在哀悼他。他的遗体被葬在威斯敏斯特教堂的牛顿墓旁。