热力学第二定律的建立
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是研究能量转化和传递规律的科学,它的发展历史可以追溯到18世纪末。
以下是热力学发展的简史。
1. 开始阶段热力学的起源可以追溯到热力学第一定律的提出。
1798年,法国物理学家拉瓦锡提出了能量守恒定律,即热力学第一定律。
这一定律表明,能量可以转化为不同形式,但总能量保持不变。
2. 第二定律的建立热力学第二定律是热力学的核心理论之一,它描述了能量转化的方向性。
19世纪初,卡诺和卡尔诺提出了热力学第二定律的原始版本,即卡诺循环。
他们认识到热量无法彻底转化为实用的功,总是会有一部份热量被浪费掉。
这一发现奠定了热力学第二定律的基础。
3. 熵的概念引入熵是热力学中非常重要的概念,它描述了系统的无序程度。
熵的概念最早由德国物理学家克劳修斯在1850年代引入。
他将熵定义为系统的无序度,熵增原理表明在孤立系统中,熵总是增加的。
4. 统计热力学的发展19世纪末,统计热力学的发展为热力学提供了新的解释。
玻尔兹曼和吉布斯等科学家通过统计方法研究了大量微观粒子的行为,从而揭示了热力学规律的微观基础。
他们提出了统计热力学的理论,成功解释了熵的概念,并将热力学与统计物理学相结合。
5. 热力学的应用热力学的发展不仅仅停留在理论层面,还有广泛的应用。
热力学在工程领域中被广泛应用于能源转换、热力系统设计等方面。
例如,蒸汽机的发明和蒸汽轮机的应用都是基于热力学原理。
热力学也在化学、生物学等学科中发挥着重要作用。
6. 热力学的发展与进步随着科学技术的不断进步,热力学的研究也在不断深化。
现代热力学已经发展出了许多分支学科,如非平衡热力学、统计热力学等。
热力学的应用也越来越广泛,例如在能源转换、环境保护和材料科学等领域。
总结:热力学是一门研究能量转化和传递规律的科学,它的发展经历了多个阶段。
从热力学第一定律的提出到热力学第二定律的建立,再到熵的概念的引入和统计热力学的发展,热力学逐渐成为一个完整的理论体系。
热力学不仅在理论上有所突破,还在工程、化学、生物学等领域有广泛的应用。
热力学三个定律的形成史
热力学三个定律的形成史热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质,它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律,下面是为大家搜集的一篇关于热力学三个定律的形成史探究的,供大家阅读参考。
热力学是热学理论的一个方面。
热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质,它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。
热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论,不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。
因此它是一种唯象的宏观理论,具有高度的可靠性和普遍性。
热力学三定律是热力学的基本理论。
1热力学第一定律1.1热力学第一定律概述能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。
自然界中的一切物质都具有能力,能量有各种不同的形式,这种不同形式的能量都可以转移(从一个物体传递到另一个物体),也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式),但在转移和转换过程中,它们的总量保持不变。
这一规律成为能量守恒与转换定律。
能量守恒与转换定律应用在热力学中,或者说应用在伴有热效应的各种过程中,便是热力学第一定律。
热力学第一定律是人类在实践中积累的经验总结,它的发现和建立,打破了人们企图制造一种可以不消耗能量而能连续做功的永动机。
因此,热力学第一定律也可以表述为:第一类永动机是造不出来的[1].其基本公式可以表述为公式(1),它表明向系统输入的热量Q,等于质量为m的流体流经系统前后焓H的增量、动能v的增量以及系统向外界输出的机械功W之和。
1.2热力学第一定律形成史1.2.1罗伯特·迈尔热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。
德国物理学家、医生迈尔发现体力和体热来源于食物中所含的化学能,提出如果动物体能的输入同支出是平衡的,所有这些形式的能在量上就必定守恒。
他由此受到启发,去探索热和机械功的关系。
1842年他发表了《论无机性质的力》的论文,表述了物理、化学过程中各种力(能)的转化和守恒的思想。
热力学第二定律
热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的重要定律之一,它描述了热量在自然界中的传递方向。
热力学第二定律对于理解能量转化和宇宙演化具有重要意义。
在本文中,我们将探讨热力学第二定律的基本原理和应用。
1. 热力学第二定律的基本原理热力学第二定律可以从不同角度进行表述,但最为常见的是开尔文-普朗克表述和卡诺定理。
1.1 开尔文-普朗克表述开尔文-普朗克表述中,热力学第二定律可以简要地概括为“热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
”这意味着热量的传递是不可逆的,自然趋向于热量从高温物体传递到低温物体。
1.2 卡诺定理卡诺定理是另一种常见的表述方式,它描述了理想热机的最高效率。
根据卡诺定理,任何一台工作在两个温度之间的热机的效率都不会超过理论上的最高效率,这个最高效率由热源温度和冷源温度决定。
2. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有重要的应用,下面我们将介绍几个常见的应用领域。
2.1 工程领域在工程领域中,热力学第二定律被广泛运用于热能转化系统的设计和优化。
例如,在汽车发动机中,通过合理设计燃烧过程、热能回收和废热利用等手段,可以提高发动机的效率,减少能量的浪费。
2.2 环境科学热力学第二定律的应用也涉及到环境科学领域。
例如,根据热力学第二定律的原理,热力学模型可以用于预测和评估环境中的能量传递和转化过程。
这有助于我们更好地理解和管理环境资源。
2.3 生命科学热力学第二定律在生命科学中也有广泛的应用。
生物体内的能量转化和代谢过程都受到热力学定律的限制。
通过热力学模型的建立和分析,可以深入研究生物体内能量转化的机理与调控。
3. 热力学第二定律的发展与挑战热力学第二定律的发展经历了许多里程碑,但仍然存在一些挑战和未解之谜。
3.1 热力学第二定律与时间箭头热力学第二定律与时间箭头之间的关系是一个待解之谜。
根据热力学第二定律,熵在一个封闭系统中总是增加的,即系统总是趋向于混乱状态。
然而,宇宙的演化似乎表明时间具有一个明确的方向,即宇宙从低熵状态(有序状态)向高熵状态(混乱状态)演化。
热力学第二定律的历史与演变
热力学第二定律的历史与演变热力学第二定律是热力学基本规律之一,揭示了自然界中能量传递的不可逆过程。
它的提出和发展是数百年来科学家们长期努力和思考的结果。
在本文中,我们将回顾热力学第二定律的历史,并探讨其在科学研究中的演变和应用。
一、热力学第二定律的起源热力学第二定律的起源可以追溯到17世纪。
当时,物理学家们开始探索热量和能量之间的关系。
最初,他们认为热量是一种流体,称之为“火素”。
然而,这个理论无法解释自然界中热量的行为。
直到18世纪,热学开始逐步发展,并逐渐形成了热力学的基本概念。
二、卡诺及热力学第二定律的奠基者在19世纪初,法国工程师卡诺提出了“卡诺循环”概念,为热力学第二定律的确立做出了重要的贡献。
卡诺循环是一种理论上最高效的热力学循环,他通过研究能量转化的过程,提出了“热能不可能自流体自动转化为机械能”的思想,从而揭示了自然界中能量传递的方向性和不可逆性。
三、卡诺热机与熵的引入为了量化热力学第二定律的概念,数学家克劳修斯在19世纪中叶引入了熵的概念。
熵被定义为系统的无序程度或混乱程度。
根据热力学第二定律,熵在不可逆过程中不断增加,而在可逆过程中保持不变。
通过引入熵的概念,科学家们得以 quant化地描述自然界中的能量传递和可逆性。
四、玻尔兹曼与统计热力学的发展19世纪末,奥地利物理学家玻尔兹曼进一步推动了热力学的发展。
他基于分子动理论,提出了“玻尔兹曼熵公式”,通过统计方法解释了熵的增加和不可逆性。
同时,他也为热力学第二定律提供了更加严谨和普遍的解释,使得热力学第二定律得到了更广泛的认同和应用。
五、热力学第二定律的演变与应用热力学第二定律的演变没有止境。
随着科学技术的不断进步,研究者们不断深化对热力学第二定律的理解和应用。
在热力学第二定律的基础上,人们发展出了热力学循环、热机效率、热力学势函数等重要理论和方法。
热力学第二定律的应用也涉及到许多领域,如工程、环境科学、天体物理学等。
六、总结热力学第二定律的历史与演变是科学发展的重要篇章。
工程热力学:6第五章 热力学第二定律
(5-3)
同样,逆向卡诺循环是最理想、经济性最高,但通常难以实现。
30
三种卡诺循环
T T1
制热
T0
制冷
T2
T1
动力
T2
s
31
四、多热源可逆循环
热源多于两个的可逆循环如 右图所示。要使循环可逆,必须 有无穷个热源和冷源,保持工质 和热源间无温差换热。
此循环的平均吸热温度 T1 和平 均放热温度 T2分别定义为:
属于“天上掉馅饼”,第三类无摩擦。
I.
违背热力学第一定律(热效率大于100%)。20世纪90年
代山东枣庄有人发明了一个“耗电12kW,可发电36kW”的
发电机,即为一例。类似专利申请美国专利局已有数以千计,
但尚无成功报道。
II.
违背热力学第二定律(热效率等于100%)。如果此类机
器能够制造成功,由于太阳能、地热能和海洋热能等的巨大,
汽车停止时摩擦产生热,但热消失时 汽车能否行驶?
4
热力学第一定律
序言
能量之间数量的关系 能量守恒与转换定律
不足之处:未表明能量传递或转化时的 方向、条件和限度。
低温物体会吸热,温度逐渐升高;高温 物体会放热,温度逐渐降低。但热量能 否无条件的由低到高?
5
热力学第一定律
序言
能量之间数量的关系 能量守恒与转换定律
第五章 热力学第二定律
序言 5-1 热力学第二定律 5-2 可逆循环分析及其热效率 5-3 卡诺定理 5-4 熵参数、热过程方向的判据 5-5 熵增原理 5-6 熵方程 5-7 (火用)参数的基本概念 热量(火用) 5-8 工质(火用)及系统(火用)平衡方程 5-9 热力学温标
目录
1
物理学史2.5 热力学第二定律的建立
2.5热力学第二定律的建立本来汤姆生有可能立即从卡诺定理引出热力学第二定律,但是由于他没有摆脱热质说的羁绊,错过了首先发现热力学第二定律的机会。
2.5.1克劳修斯研究热力学第二定律就在汤姆生感到困难之际,克劳修斯于1850年在《物理学与化学年鉴》上率先发表了《论热的动力及能由此推出的关于热本性的定律》,对卡诺定理作了详尽的分析,他对热功之间的转化关系有明确的认识。
他证明,在卡诺循环中,“有两种过程同时发生,一些热量用去了,另一些热量从热体转到冷体,这两部分热量与所产生的功有确定的关系。
”他进一步论证:“如果我们现在假设有两种物质,其中一种能够比另一种在转移一定量的热量中产生更多的功,或者,其实是一回事,要产生一定量的功只需从A到B转移更少的热。
那么,我们就可以交替应用这两种物质,用前一种物质通过上述过程来产生功,用另一种物质在相反的过程中消耗这些功。
到过程的末尾,两个物体都回到它们的原始状态;而产生的功正好与耗去的功抵消。
所以根据我们以前的理论,热量既不会增加,也不会减少。
唯一的变化就是热的分布,由于从B到A要比从A到B转移更多的热,继续下去就会使全部的热从B转移到A。
交替重复这两个过程就有可能不必消耗力或产生任何其它变化而随意把任意多的热量从冷体转移到热体,而这是与热的其它关系不符的,因为热总是表现出要使温差平衡的趋势,所以总是从更热的物体传到更冷的物体。
”就这样,克劳修斯正确地把卡诺定理作了扬弃而改造成与热力学第一定律并列的热力学第二定律。
1854年,克劳修斯发表《热的机械论中第二个基本理论的另一形式》,在这篇论文中他更明确地阐明①:“热永远不能从冷的物体传向热的物体,如果没有与之联系的、同时发生的其它的变化的话。
关于两个不同温度的物体间热交换的种种已知事实证明了这一点;因为热处处都显示企图使温度的差别均衡之趋势,所以只能沿相反的方向,即从热的物体传向冷的物体。
因此,不必再作解释,这一原理的正确性也是不证自明的。
热力学第二定律的建立
热力学第二定律的建立1850年克劳修斯提出热力学第二定律以后,至20世纪初,一直被作为与热力学第一定律并列的热力学两大基本定律,引起学术界特别是物理学界的极大重视。
这两个基本定律的发现,使热力学在19世纪50年代初时起,被看作近代物理学中的一个新兴的学科,和物理学家们极其热衷的重要领域,得到物理学家和化学家们的关注。
1、热力学第二定律产生的历史背景18世纪末惠更斯和巴本(Dents Papin,1647~1714)实验研究的燃气汽缸,塞维利(Thomas Savery,1650~1715)于1798年制成的“矿工之友”,及纽可门(Newcomen Thomas,1663~1729)于1712年发明的“大气机”等早期的蒸汽机,都是利用两个不同温度的热源(锅炉和水)并使部分热量耗散的方法使蒸汽机作功的,也可以说不自觉地运用热力学第二定律的思想,进行设计的。
瓦特改进纽可门蒸汽机的关键,是以冷凝器取代大气作为第二热源,因而使耗散的热量大大降低。
为了进一步减少热的耗散量和提高热效率与功率,18世纪末和19世纪40年代又先后研制成中低压和高低压二级膨胀式蒸汽机。
热机的整个发展史说明,它的热效率可以不断提高和耗散的热量可以逐渐减少。
但是,热机的热效率至今虽然逐渐有所提高,但耗散的热量永远也不可能消除。
因此,卡诺的可逆循环只可趋近而永远也无法达到。
这就提出了一个十分重要的问题,就是卡诺提出的“在蒸汽机,动力的产生不是由于热质的实际消耗,而是由热体传到冷体,也就是重新建立了平衡”的论断中,最后的话是不正确的,这不仅因为他相信热质说引起的,而且因为在无数事实中,这种热平衡在一个实际热机中是不可达到的。
事实说明,机械功可以完全转化为热,但在不引起其他变化的条件下,热却不可能完全转化为机械功。
人们设想,如果出现一个制成这样永动机的先例,即一个孤立热力学系统会从低温热源取热而永恒地做功,那么和海洋几乎可以作为无尽的低温热源,做功将是取之不尽的。
热力学第二定律的提出
热力学第二定律的提出
热力学第二定律是热力学基本原理之一,它阐述了自然界热现象
的不可逆性和不可逆过程的趋势,为热力学研究提供了重要理论基础。
热力学第二定律的提出可以追溯到十九世纪初,当时科学家们对
自然界的热现象进行探索,并发现存在着一些规律性的现象。
经过多
年研究和实验,终于在1850年左右,热力学第二定律得到了公式化。
热力学第二定律的核心思想是熵增原理,即随着时间的推移,热
系统中的熵不断增加。
熵是一个描述物质无序程度的物理量,在热力
学中,我们通常把它看作热系统的无序程度。
因此,热力学第二定律
揭示了热系统向更加无序的方向发展的趋势。
这个定律有什么实际应用呢?当我们接近一个冷冻器时,我们可
以感受到它所发出的热。
而根据热力学第二定律,这样的过程是不可
逆的,因为从一个低温度的物体中抽取热量,将导致它的熵增加,而
这一增加趋势对自然界来说是不可逆的。
而当我们把电池接入电路中时,我们知道,电流从正极流向负极,这是另一个例子,表明热力学
第二定律对电学有着很强的指导意义。
在实践应用中,热力学第二定律也提醒我们:热系统变得越来越
无序的过程是不可逆的,因此我们应该尽可能地减少能量的浪费,以
优化热(能)的使用效率。
在工业生产中,我们就可以通过热能回收、能耗优化等方式,最大限度地利用能源,实现清洁生产。
总之,热力学第二定律的提出是热力学发展的一个重要里程碑,
它对科学家们提供了指导,对工程师们提出了具体的要求,使得我们
在实际应用中可以更好地利用和管理热(能)资源,实现可持续发展。
热力学第二定律的建立
热力学第二定律的建立历史背景18世纪中期以蒸汽机的使用为主要标志的技术革命使欧洲资本主义得到了发展,同时也推动了自然科学尤其是热学的发展。
它为能量守恒定律的提出创造了基础,而如何进一步提高蒸汽机的效率就成为科学家非常关注的问题。
法国数学家和工程师卡诺(S.Carnot,1796—1832)率先研究了这类问题。
他于1824年,出版了《关于火的动力的思考》一书。
在这本书中,他总结了早期研究的一些成果,提出了在热机理论中占有重要地位的“卡诺循环”和“卡诺定理”。
从卡诺的笔记中可以了解到,他一方面接受了热的运动说,另一方面又为此感到有些为难。
原因是:根据热的运动说,只要有热源就应该可以使热转换为动力(作功);可是根据卡诺的理论,要从热产生动力(作功)必须有高温物体与低温物体,而且热转变为动力是有限制的。
卡诺的这一研究所涉及的问题是深刻的,因为,按照热力学第一定律,效率达到百分之一百的热机并不与之矛盾。
相反,这样的热机似乎是热力学第一定律鼓励人们追求的目标。
可是,如果假定存在效率为百分之一百的热机,也就是存在只要单一热源就可工作的热机,那么海水、空气、土壤等就都是潜力巨大的理想热源,这也意味着它们相当于是另一类永动机。
然而,这是不现实的。
所以,对热转变为功的限制正是新的物理思想产生的基础。
对于机械功可以完全转化为热,而热在不引起其它变化的条件下却不可能完全转化为机械功这一事实来说,表明热力学第一定律并不能说明热功转化过程中的所有问题,也就意味着应该有一个新的热力学基本定律在起作用。
建立过程克劳修斯(R.E.Clausius,1822—1888)和威廉·汤姆孙(William Thomson,1892年被封为开尔文男爵, Lord Kelvin,1824—1907)先后意识到了这一问题。
1850年,克劳修斯在《物理和化学年鉴》上,发表了《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》的论文。
在热力学史上极为重要的这篇论文中,他第一次明确地提出了热力学第一定律和第二定律是热力学的两个基本定律。
热力学第二定律的推导与应用
热力学第二定律的推导与应用热力学第二定律是热力学中的一个重要定律,它描述了热量在能量传递过程中的方向性和不可逆性。
本文将对热力学第二定律进行推导,并探讨其在实际应用中的意义和重要性。
一、热力学第二定律的基本概念热力学第二定律在19世纪中叶由卡诺和开尔文等科学家总结出来,其核心概念是热量自然向高温流动的趋势。
该定律可以通过以下几个方面来描述:1.热量不会自动从低温物体传递到高温物体;2.热量会自然地从高温物体传递到低温物体;3.不论热量如何传递,总有一部分能量转化为不可利用的形式,即熵增。
二、热力学第二定律的数学推导热力学第二定律可以通过熵的概念和热力学过程来进行数学推导。
在此我们以卡诺循环为例来阐述。
卡诺循环是一个理想的热机循环,在这个循环过程中,系统从高温热源吸热,向低温热源放热,然后通过准静态过程将其恢复为初始状态。
在卡诺循环中,热机的效率可以表示为:η = (Q_h - Q_l) / Q_h,其中,η表示热机的效率,Q_h表示吸收的热量,Q_l表示放出的热量。
根据热力学第一定律,系统内的能量守恒,即Q_h = Q_l + W,其中W表示对外做功。
将等式代入热机效率的表达式中,可得:η = (Q_h - Q_l) / Q_h = (Q_h - (Q_h - W)) / Q_h,整理可得:η = W / Q_h.由于卡诺循环是一个理想循环,热机的效率是最高的,因此可以得到以下结论:η_卡诺≥ η_任意。
这个结论即为卡诺定理,它是热力学第二定律的数学表达。
三、热力学第二定律的应用热力学第二定律在能源利用和环境保护等方面具有重要的应用价值。
以下是几个应用领域的例子:1.能源利用:根据热力学第二定律,热机的效率受到温度差的限制,即将热量转化为有用的功的效率存在上限。
在实际应用中,我们需要设计和改进热机系统,以提高能源的利用效率,降低能源的浪费。
2.热力学循环:热力学第二定律可以指导热力学循环的设计和优化,包括汽车发动机、蒸汽涡轮和核能发电等系统。
热力学第二定律的原理
热力学第二定律的原理热力学第二定律是热力学的基本定律之一,它与能量传递和转化的方向和可逆性有关。
本文将详细介绍热力学第二定律的原理,并解释其在自然界中的普遍适用性。
热力学第二定律,也被称为热力学不可逆性原理,是由19世纪末到20世纪初的热力学研究中逐渐发展起来的。
根据热力学第二定律,自然界的热量无法自发地从低温物体传递到高温物体,而只能在外界施加功的作用下实现。
这个定律揭示了能量传递和转化的不可逆性,即热量只能从高温流向低温的物体,从而最终使得整个系统达到热平衡。
热力学第二定律的原理可以通过两种常见的表述方式来阐述:卡诺循环和熵的增加原理。
首先是卡诺循环。
卡诺循环是由卡诺于1824年提出的一种理想循环过程,在这个循环过程中,热能可以完全转化为功。
卡诺循环是一个具有四个过程(绝热膨胀、等温膨胀、绝热压缩、等温压缩)的理想循环,它的关键在于等温膨胀和等温压缩过程。
在等温膨胀过程中,系统从高温热源吸收热量,然后在等温压缩过程中将热量释放到低温热源中。
由于热量只能从高温流向低温,因此卡诺循环是能够实现完全转化热能为功的最理想过程。
其次是熵的增加原理。
熵是热力学中的一个重要概念,代表着系统的无序程度。
根据热力学第二定律的熵增加原理,一个孤立系统的总熵会随着时间的推移而增加,不会减少。
熵的增加意味着系统的有序程度降低,能量变得更加分散和无序。
这一原理解释了为什么热量只能从高温流向低温,因为在这个过程中,系统的熵增加,无序度增加,而系统的能量总量保持不变。
热力学第二定律可以用来解释许多自然现象和实际问题。
例如,当我们将一杯热咖啡放置在室温下,咖啡会逐渐冷却,温度变得更低。
这是因为热量从咖啡流向了更冷的室温,符合热力学第二定律。
同样地,一台发动机无法做到100%的热能转化为功,总会有一部分热量流失,这也是热力学第二定律的应用。
总结起来,热力学第二定律的原理可以通过卡诺循环和熵的增加原理来解释。
它揭示了能量传递和转化的方向性和不可逆性,即热量只能从高温流向低温。
物理学史 2.6 热力学第二定律的发展
第2章第6节热力学第二定律的建立1824年卡诺在其发表的《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》一文中,提出了理想热机的可逆循环和卡诺定理以及理想热机的热效率极限值,这一观点为热功转化的极限问题提供了理论依据。
但当时卡诺的研究并没有引起学界的广泛重视,直到热功当量被证实之后,学界才意识到卡诺的研究其实已经触及到了热力学第二定律的核心。
2.6 .1克劳修斯研究热力学第二定律以焦耳的热功当量为实验基础上,他从“热并不是一种物质,而是存在于物体的最小粒子的一种运动”的观点出发。
在证明卡诺观点的同时,并在此基础上研究了能量转换的极限和方向问题,1850 年德国物理学家克劳修斯(Rudolf Clausius,1822~1888)在其发表的《论热的动力及能由此推出的关于人本性的定律》一文中。
对卡诺定理详尽分析,提出:卡诺得出热量由热体向冷体传递时产生当量的功是正确的,而在由热体向冷体传递时没有热量损失是错误的。
克劳修斯进一步发展了卡诺的思想,认为在功的产生中,“很可能有两种过程同时发生,这就是一些热量被用去了,而另一些热量从一个热体被传送到了一个冷体,并且这两部分热量可能和所发生的功有确切的关系”。
并对其进行证明。
进而进一步研究发现,通过假想实验,克劳修斯认为在由热做功的过程中,一部分热做了机械功,另一部分热通过从热体向冷体传递而耗散掉。
对卡诺定理做了扬弃,改造成与热力学第一定律并列的热力学第二定律。
提出初步的热力学第二定律表述,“在没有任何力消耗或其他变化的情况下,把任意多的热量从冷体传到热体是和热的惯常行为矛盾的”。
1854 年,《热的机械论中第二个基本理论的另一形式》,更明确阐述,“热永远不能从冷的物体传向热的物体,如果没有与之联系的、同时发生的其它的变化的话。
”就是关于热力学第二定律的克劳修斯表述。
而更贴切的表示为:(1)克劳修斯说法:热不可能由低温物体传到高温物体而不引起其他变化。
2.6 .2 W.汤姆生研究热力学第二定律本来汤姆生有可能立即从卡诺定理引出热力学第二定律,但是由于他没有摆脱热质说的羁绊,错过了首先发现热力学第二定律的机会。
热力学第二定律的建立
热力学第二定律的建立热力学第二定律是由德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文(威廉·汤姆孙)建立的,它和热力学第一定律及热力学第三定律一起,成为研究热的动力理论的基本规律.(1)热力学第二定律建立的历史背景19世纪初,蒸汽机已有很大发展,并广泛应用于工厂、矿山、交通运输,但当时对蒸汽机的理论研究还很缺乏,法国工程师s.卡诺在这方面做出了突出的贡献.卡诺在1824年发表了《论火的动力》.他撇开一些次要的因素,由理想循环人手,研究了热机工作中的最基本因素,提出了以卡诺命名的有关热机效率的定理,明确指出:“凡是有温度差的地方,就能够发生动力”,“动力不依赖于提供它的工作物质,动力的大小唯一地由热质在其间转移的一些物体的温度决定”.在证明这一定理时,他采用了热质守恒的思想和永动机不可能的原理.其实卡诺定理已内涵了热力学第二定律的思想,但终究因为热质说的错误观点,没能作进一步的研究不过可以说卡诺定理是建立热力学第二定律的先导.1840——1847年间,热力学第一定律建立起来了,它说明热机提供的动力只依靠热质在冷、热源之间重新分配的说法是不正确的.因此,非常需要对卡诺的理论作进一步审核,把他的原理建立在新的热学理论的基础上.1848年,开尔文根据卡诺提出的“一切理想热机在同样的热源与冷源之间工作时,其效率相等,与使用的工作物质无关”的理论,建立了绝对温标的概念.这一温标具有一定的特点,例如:“这一温标系统中的每一度的间隔都有同样的数值”,“它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质”,因此被称为绝对温标.这种热力学温标的建立,从理论上解决了各种经验温标不相一致的缺点,并为热力学第二定律的建立准备了条件.(2)热力学第二定律建立的过程在上述历史背景和前提条件下,克劳修斯集中大部分时间,精心研究了热力学问题,从不同角度发表了多篇文章.提出并完善了著名的热力学第二定律的克劳修斯表述.1850年,克劳修斯发表了《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》的论文,他从“热并不是一种物质,而是存在于物体的最小粒子的一种运动”的观点出发,重新考察了卡诺所提出的理论后指出:卡诺得出热量由热体向冷体传递时产生当量的功是正确的,而在由热体向冷体传递时没有热量损失是错误的.克劳修斯认为在由热做功的过程中,一部分热做了机械功,另一部分热通过从热体向冷体传递而耗散掉.克劳修斯通过—个假想的实验,得出热力学第二定律的初次表述:“在没有任何力消耗或其他变化的情况下,把任意多的热量从冷体传到热体是和热的惯常行为矛盾的.”后在1854年发表《力学的热理沦的第二定律的另一形式》中,将热力学第二定律的表述改变为:“热不可能由冷体传到热体,如果因而不同时引起其他关系的变化”.克劳修斯在取得一定成就后,仍继续自己的研究工作,1865年发表《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》一文,明确地提出了熵的概念,并进一步提出了热力学第二定期普遍表示式:dQ≤⎰T等号适用于可逆循环,不等号适用示不可逆过程.这个式子说明熵变具有方向性,对于绝热过程,系统的熵不可能减小,这就是所谓的熵增加原理.并规定熵增加的方向为正向,熵减少的方向为负向.1867年,克劳修斯又发表了《关于热的动力理论的第二定律》一文,总结出一条原理:“负的转变只能在有补偿条件下发生,而正的转变即使没有补偿也能发生,或者简要地说,不需补偿的转弯只够是正的转变”.1875年,克劳修斯在《热的动力理论》—交中,将热力学第二定律提出了更精炼的说法:“热不可能自动地从冷体传到热体”或“热从一冷体转向一热体不可能无补偿地发生”.这就是大家所公认的热力学第二定律的克劳修斯表达.同时,对热力学第二定律作出贡献的还有开尔文.他用焦耳的热功当量实验和雷诺对蒸汽性质的观察,重新审查了卡诺定理,从“热是一种粒子的运动而不是物质”的观念出发,来认识热与功相互转化的过程.1851年发表《论热的动力理论》,提出了两个命题:“1、当不论借助于什么方法,从纯粹的热源得到等量的机械效应,或等量的机械效应变成纯粹的热效应而消失时,则有等量的热因之消耗或由此产生*”“2、如果有这样一部机器,当它反过来运转时,它的每一部分的物理的和力学的动作全部倒过来,那么,它将像具有相同温度的热源和冷凝器的任何热机一样,由一定量的热产生同样多的机械效应.”接着又提出证明第二命题的一个公理:“借助无生命的物质机构通过使物质的任何部分冷却到比周围最冷的物体的温度还要低的温度而得到机械效应,是不可能的”他在对这一公理的注释中指出:如果公理在一切温度下都不成立,就必须承认可以有这样一种永动机存在,它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功即第二类永动机.以上是开尔文对热力学第二定律的原始表述,后来才逐渐演变成现在教科书中出现的、更精炼的说法:“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功,而不产生其他影响.”这就是公认的热力学第二定律的开尔文表述.在这一表述中,明确表示热机必须工作在两个热源之间,更指出了第二类永动机的不可能,所以具有理论意义和实践意义.克劳修斯和开尔文虽然从不同的角度表述了热力学第二定律,但是二者是等效的.因此通过他们的工作,反映热力学过程方向性的热力学第二定律建立起来了.。
热力学第一定律与第二定律
热力学第一定律与第二定律热力学是关于能量转化和能量守恒的科学,它研究了物质与能量之间的关系以及能量转化的规律。
在热力学中,有两个基础定律,即热力学第一定律和热力学第二定律。
本文将详细介绍这两个定律的定义、原理和应用。
一、热力学第一定律热力学第一定律又被称为能量守恒定律,它表明能量在系统中的变化量等于系统所做的功加上系统吸收的热量。
简言之,能量是守恒的。
具体来说,热力学第一定律可以用以下方程式表示:ΔU = Q - W其中,ΔU代表系统内能的变化,Q代表系统吸收的热量,W代表系统所做的功。
根据这个定律,我们可以得出以下结论:1. 系统吸收的热量等于系统内能的增加。
热量可以使系统内粒子的动能增加,也可以使分子之间的相互作用增强,从而使内能增加。
2. 系统所做的功等于系统内能的减少。
当一个物体从高温区移动到低温区时,它会做功,从而导致内能减少。
热力学第一定律的应用非常广泛。
例如,在工程领域中,我们可以利用这个定律来计算热机的效率。
在化学反应中,我们可以根据热力学第一定律来判断反应是否放热或吸热,并求出反应的焓变。
总之,热力学第一定律是热力学研究中的基础,对于理解和应用能量转化的过程至关重要。
二、热力学第二定律热力学第二定律是关于物质能量转化方向的定律。
它规定了能量在自然界中传递的方式和限制。
总结起来,热力学第二定律表明热量自发地从高温物体传递到低温物体,而不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这个定律可以从以下两个方面解释:1. 热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这是因为能量在自然界中总是从高能态流向低能态。
如果低温物体能够将热量传递给高温物体,就违背了能量的自发流动方向。
2. 熵增定律。
熵是用来描述系统无序程度的物理量,热力学第二定律指出,一个孤立系统的熵要么保持不变,要么增加。
换句话说,自发过程总是趋于增加系统的熵。
而熵的增加意味着能量的转化趋于不可逆。
根据热力学第二定律的约束,我们可以得出一些重要的结论。
热力学第二定律的推导过程
热力学第二定律的推导过程热力学是研究物质内部能量转化和传递规律的学科,而热力学第二定律则是研究能量转化方向的规律。
本文将探讨热力学第二定律的推导过程。
1. 序言热力学第二定律是热力学最重要的基本定律之一,它描述了自然界中热能传递的不可逆性。
通过推导热力学第二定律,我们可以更好地理解能量转化的规律。
2. 卡诺循环为了推导热力学第二定律,我们首先介绍卡诺循环。
卡诺循环是一种理想的循环过程,它由两个等温过程和两个绝热过程组成。
在卡诺循环中,热量从高温热源吸收,经过绝热膨胀,再通过等温压缩过程排放至低温热源。
3. 卡诺效率我们知道,能量守恒是一个自然界的基本原则。
在理想的卡诺循环中,系统对外做功等于从高温热源吸收的热量减去排放给低温热源的热量。
设高温热源的温度为Th,低温热源的温度为Tl,根据热力学基本方程,我们可以推导出卡诺循环的效率:η = 1 - (Tl/Th)其中,η表示卡诺循环的效率。
4. 温度与熵的关系接下来,我们引入熵的概念。
熵是一个衡量系统有序程度的物理量。
设一个系统的熵变为dS,热量的传递为dQ,温度为T。
根据热力学基本方程,我们可以得到:dS = dQ/T这个方程表明,当系统吸收热量时,熵会增加;当系统排放热量时,熵会减少。
5. 热力学第二定律有了温度与熵的关系,我们可以推导出热力学第二定律。
根据热力学第一定律,能量守恒是永恒不变的。
然而,通过观察自然界中热能传递现象,我们发现自然界中热量从高温物体向低温物体传递,而不会反过来。
根据温度与熵的关系,当两个系统接触并达到热平衡时,它们的熵变应为零:dS = dQ1/T1 + dQ2/T2 = 0上式表明,当热量从高温物体传递到低温物体时,总是满足T1/T2 > 1。
这就是热力学第二定律的表达式。
6. 推广热力学第二定律的推广形式是开尔文-普朗克表述形式。
根据开尔文-普朗克表述,任何一个不可逆过程都可以看作是一个可逆过程与一个热库接触的情况。
热力学第二定律建立过程
热力学第二定律建立过程
热力学第二定律是热力学中的一个基本原理,它描述了自然界中热量的流动方向和不可逆性。
下面是热力学第二定律建立的过程:
1. 卡诺循环的提出:19世纪初,法国工程师卡诺提出了卡诺循环,它是由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环过程。
卡诺认为,这个循环过程是可逆的,也就是说,它可以完全逆转,而不会产生热量的损失。
2. 克劳修斯和开尔文的研究:19世纪50年代,德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文分别独立地研究了热力学第二定律。
他们发现,在卡诺循环中,等温过程中热量的传递是可逆的,而绝热过程中热量的传递是不可逆的。
这说明,在绝热过程中,热量的传递会导致系统内能的增加,而这个过程不可逆转。
3. 热力学第二定律的确认:在19世纪60年代,德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文进一步研究了热力学第二定律,他们发现,热力学第二定律不仅仅适用于卡诺循环,而且适用于所有实际的热力学过程。
他们还发现,热力学第二定律可以用熵的概念来解释。
熵是一个系统内部无序度的量度,它是一个不可逆过程中能量转化为热能的量度。
综上所述,热力学第二定律建立的过程是由卡诺循环的
提出、克劳修斯和开尔文的研究以及熵的概念的引入等多个因素共同作用的结果。
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热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立1850年克劳修斯提出热力学第二定律以后,至20世纪初,一直被作为与热力学第一定律并列的热力学两大基本定律,引起学术界特别是物理学界的极大重视。
这两个基本定律的发现,使热力学在19世纪50年代初时起,被看作近代物理学中的一个新兴的学科,和物理学家们极其热衷的重要领域,得到物理学家和化学家们的关注。
1、热力学第二定律产生的历史背景18世纪末惠更斯和巴本(Dents Papin,1647~1714)实验研究的燃气汽缸,塞维利(Thomas Savery,1650~1715)于1798年制成的“矿工之友”,及纽可门(Newcomen Thomas,1663~1729)于1712年发明的“大气机”等早期的蒸汽机,都是利用两个不同温度的热源(锅炉和水)并使部分热量耗散的方法使蒸汽机作功的,也可以说不自觉地运用热力学第二定律的思想,进行设计的。
瓦特改进纽可门蒸汽机的关键,是以冷凝器取代大气作为第二热源,因而使耗散的热量大大降低。
为了进一步减少热的耗散量和提高热效率与功率,18世纪末和19世纪40年代又先后研制成中低压和高低压二级膨胀式蒸汽机。
热机的整个发展史说明,它的热效率可以不断提高和耗散的热量可以逐渐减少。
但是,热机的热效率至今虽然逐渐有所提高,但耗散的热量永远也不可能消除。
因此,卡诺的可逆循环只可趋近而永远也无法达到。
这就提出了一个十分重要的问题,就是卡诺提出的“在蒸汽机内,动力的产生不是由于热质的实际消耗,而是由热体传到冷体,也就是重新建立了平衡”的论断中,最后的话是不正确的,这不仅因为他相信热质说引起的,而且因为在无数事实中,这种热平衡在一个实际热机中是不可达到的。
事实说明,机械功可以完全转化为热,但在不引起其他变化的条件下,热却不可能完全转化为机械功。
人们设想,如果出现一个制成这样永动机的先例,即一个孤立热力学系统会从低温热源取热而永恒地做功,那么大地和海洋几乎可以作为无尽的低温热源,做功将是取之不尽的。
事实上这与热力学原理相矛盾的,这就意味着可能有一个新的热力学基本定律在起着作用。
综上可见,虽然有的事件是不违背热力学第一定律的但也不可能发生;这就有待于热力学第二定律的发现。
卡诺曾经指出“单只是提供热量,并不足以产生推动力,必须还有冷,没有冷,热将是无用的”。
卡诺承认这样的事实,当水与A体接触时,变成了蒸汽,蒸汽与B体接触时又变冷了,但是若要恢复原来的温度,就必须再同A体接触,这就需要动力。
这说明在前一过程中损失了动力,它自身要完成这个反向的过程是不可能的。
因此,卡诺得出:“使用于提高液体温度的热质再回到A体中,是不可能的”。
一般认为,这是卡诺意识到热力学第二定律的思想萌芽。
在卡诺之后,克拉贝龙、迈尔、焦耳和亥姆霍兹等基本上都是沿着卡诺的理想热机可逆循环的思路,探讨热功转化和等当关系,而忽视了卡诺提出热从冷体向热体传递的不可能性的启示。
究其原因,或者由于这个普遍存在的现象的理论价值不大,或者认为从理论上予以处理在当时是太困难了而回避过去。
在卡诺的不可能从冷体向热体传热做功的思想启发下,几位理论物理学家从不同的方向,各自独立地探讨了热功转化过程中吸收的热量大于做功需要的热量,及从冷体向热体自发传热作功的不可能性。
他们认为这个领域内热力学第一定律是无能为力的,必须从其内在的本质联系中揭示一个新的基本定律,这就是热力学第二定律。
2、克劳修斯对热力学第二定律的研究克劳修斯是最早提出了热力学第二定律的。
1850年4月12日,克劳修斯发表的《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》论文中,首先肯定了前人在这方面做出的一些尝试。
克劳修斯赞同热之唯动说观点,他根据已经发现的很多事实说明:“热并不是一种物质,而是存在于物体的最小粒子的一种运动”。
从热之唯动说出发,克劳修斯批判了卡诺从热质说出发得出的热功转化过程中并未损失热而只是热质在传递过程中总数不变。
克劳修斯认为应当从热是一种运动的观点进行论证,只有这样才能得到合理的征明和反驳卡诺从热质观点得出的结论。
他声称,人们不应当被这些困难吓倒,也不认为问题会有那么严重,只要从把热质说转变为热之唯动说出发,把通常的思考方式改变一下,就会发现与任何事实并不矛盾。
克劳修斯在他的论文中讲述到,从卡诺的热转化为当量的功时的“热量并不减少”与他的热力学第一定律矛盾出发,认为坚持这个提法,势必把问题搞乱,因而探讨建立热力学第二定律的必要性和可能性。
克劳修斯通过一个假想实验,得出与上述卡诺说法相背离的结论,这个假想实验就是设想有两种物质,在一般的热量转化条件下,一种比另一种会产生较多的功;或产生既定数量的功时一种比另一种由A物向B物传递较少的热量。
如果交替地应用这两种气体于正向和逆向过程中,使前者将热转化为功,使后者再将功转化为热,在这循环结束后,两种气体都又处于其原来的状态。
由于产生和消耗的功正好抵消,则按热力学第一定律,总热量既未增加也未减少。
但是,从B物传给A物的热量,比A物传给B物的热量要多,结果形成总体上从B物传递热量给A物。
所以,此种交替使用两种不同气体传递热量的过程反复无限地进行下去,就会在不需任何力消耗或发生其他变化的条件下,可以把任意多的热量从低温物体传递给高温物体。
但是,这显然与热传递的性质和无数的经验矛盾,这种经验就是热量传递的普遍趋向是从高温物体传到低温物体并使二者的温差消失。
因此,他保留卡诺说法的前一部分,发展成热力学第一定律,再修改其第二部分,变“热量并不减少”为热量只能自发地从高温物体传递到低温物体,而不是自发地从低温物体传递到高温物体,形成热力学第二定律。
所以,马赫在《热学原理》一书中,指出这个问题解决的清晰性不是通过实验完成的,而是“通过对不同理论的历史观点的谨慎批评;这种批评和修正,我们应归功于克劳修斯”。
热力学第二定律在经过上述基本概念的突破之后,才被克劳修斯、开尔文勋爵从不同的角度提出了各自的说法和论证。
在《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》的第二部分中,克劳修斯得出热力学第二定律的表述:“在没有任何力消耗或其他变化的情况下,把任意多的热量从低温物体传递到高温物体是和热的惯常行为矛盾的”。
克劳修斯对热力学第二定律的明确表述,即至今所说的克劳修斯表述,是他于1854年在《物理和化学年鉴》上发表的《论机械热理论第二基本定律的一个改变形式》论文中提出的。
他对热力学第二定律的表述改变为:“热不可能由低温物体传递到高温物体,如果不因而同时引起其他关系的变化”。
在这个表述中,他用“如果不因而同时引起其他关系的变化”,概括并取代了1850年论文中的“在没有任何力消耗或其他变化情况下”,并且以反语序取代正语序。
这种用“关系”一词概括了各种力、功和能量等的方法,清楚明确,因而在后来被长期采用并广泛流行。
热力学第二定律的这种表述或说法特别强调了从低温物体传递到高温物体传递问题,对热传导的方向具有十分重要的意义。
并且,为了运用公式表示这个定律,必须用正负号表示热传递的方向。
为此,他规定“内功变为热和由高温转变到低温作为正向变化”,其代数符号为正,反之为负。
他进而根据卡诺提出的命题:“热的动力与参与完成工作的介质无关,其数量仅由传递热量的物体之间的温度所决定”,提出了低温物体传递到高温物体之间各种热传导情况都适用的和仅由低温物体传递到高温物体的温度决定的状态函数F(t1,t2),他称之为“二温度的等函数”。
为了使不可逆循环中热量和功及温度之间的关系在数学上易于处理,他将过程分为无数小的过程,他称之为“简单的循环过程”。
每一小过程可作为可逆循环处理,其终端和始端的温度变化可认为趋近于0,于是,它们传递的热量和温度之比可以用Q 1/T 1,Q 2/T 2,………Q n /T n 表示。
对于整个过程,可用N =∑Q/T 近似地表示,如写成微积分表示式,则为:⎰=dQ N ;他指出,此式对于可逆循环应为0。
所以:⎰=0TdQ ;这就是在可逆循环情况下,热力学第二定律的表示式。
在这篇论文中,克劳修斯没有给出⎰TdQ 的物理概念和名称,只是给出一个新的状态函数的表示式。
从上述推导中可以看出,他把可逆循环时的表示式⎰=0T dQ ,看作是普遍情况下的N=⎰TdQ 的特殊情况。
1865年4月,克劳修斯在《关于机械热理论的主要方程的各种应用的方便形式》论文中提出⎰T dQ 的物理概念是一个与变化途径无关的状态函数,并用TdQ ds =表示。
他认为既然S 和热力学第一定律中的能量概念等当,都是状态函数,它就应表示物体的热转变含量。
为了给以定名,他根据S 的物理意义与“能”有相近的亲缘关系,在字形上也应当接近才好。
为此,克劳修斯在1865年 4月的论文中把S 命名为“熵”。
在这篇论文中,克劳修斯提出了热力学第二定律的普遍表示式为:⎰≤0TdQ ;他指出等号适用于可逆循环,不等号适用于不可逆过程。
从这个不等式可以看出,热力学第二定律说明熵具有方向性,如果用 S 表示熵,则上式的⎰TdQ 可按循环的正反过程写成:000≤+⎰⎰P P P P T dQ T dQ ;根据熵的定义:⎰=-P P T dQS S 00,则0S S -≥⎰P P T dQ0;如果循环为绝热过程,则Q =0,所以:S —S 0≥0。
此式说明,绝热过程中熵增加。
它对于平衡态的初终状态是正确的。
对于非平衡态的初终状态,在将它们分成无数小部分,并近似地认为每个小部分处于平衡态时,熵增原理仍然是正确的。
1875年他又在《热的动力理论》论文中提出他的热力学第二定律的、更精练的说法:“热不可能自发地从低温物体传递到高温物体”或“热从低温物体传递到高温物体不可能无补偿地发生”。
这前一个说法就是至今广泛引用的标准的“克劳修斯表述”,但是严格地说,这个说法似乎不如他在1854年提出的说法更严格而深刻。
因为那个说法中“如果不因而同时引起其他关系的变化”比“自发地”更清楚明确。
他在文中进而指出,他的1854年论文只考虑了可逆循环情况下的热力学第二定律表示式,因为它是很便于表达的。
显然,我们可以看出,当时他对于不可逆循环这种普遍情况的表示式应为一个不等式,还未触及甚至未认识到,因为这种情况在数学上如何解决,一直是像开尔文等这样的理论物理学家感到困难的问题,那时,克劳修斯可能还不具备这样的知识基础。
在1875年的论文中提到不可逆过程的数学表示式。
他认为⎰TdQ ≤0的发现,“完成了第二基本定律的数学表述”,并把这个定律的“补偿”说法改为“无补偿的转变必然是正向的”。
从克劳修斯在25年间所写的重要的热力学奠基性论文中,可以看出他对热力学第二定律的表述方法不断修改,并从不同角度提出几种说法,才终于形成著名的“克劳修斯表述”。
他在此定律的数学表示式方面,从可逆循环着手发展到不可逆循环,由特殊情况的等式(S=⎰=0TdQ)发展为普遍性的不等式(S=⎰T dQ ≤0),并把TdQ 作为状态函数提出来,定名为熵。