石油大学热工学热力学第二定律相关知识介绍.ppt

热力学第二定律相关知识介绍 开尔文L Kelvin 1824 1907 英国物理学家 发明家 1824年6月26日生于爱尔兰的贝尔法斯特 1845年毕业于剑桥大学 毕业后他赴巴黎跟随物理学家和化学家V 勒尼奥从事实验工作一年 1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学 物理学当时的别名 教授 任职达53年之久 由于装设第一条大西洋海底电缆有功 英政府于1866年封他为爵士 并于1892年晋升为开尔文勋爵 开尔文这个名字就是从此开始的 1890 1895年任英国皇家学会会长 1904年任格拉斯哥大学校长 直到1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔逝世为止 开尔文是热力学的主要奠基人之一 他根据盖 吕萨克 卡诺和克拉珀龙的理论于1848年创立了热力学温标 1851年他提出热力学第二定律 不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响 1852年他与焦耳合作发现了焦耳 汤姆孙效应 开尔文研究范围广泛 在热学 电磁学 流体力学 光学 地球物理 数学 工程应用等方面都做出了贡献 他一生发表论文多达600余篇 取得70种发明专利 他在当时科学界享有极高的名望 为了纪念他在科学上的功绩 国际计量大会把热力学温标 即绝对温标 称为开尔文 开氏 温标 热力学温度以开尔文为单位 是现在国际单位制中七个基本单位之一 克劳修斯 R J E Clausius 1822 1888年 德国物理学家 1822年1月2日生于普鲁士的克斯林 今波兰科沙林 曾就学于柏林大学 1847年在哈雷大学主修数学和物理学的哲学博士学位 从1850年起 曾先后任柏林炮兵工程学院 苏黎世工业大学 维尔茨堡大学 波恩大学物理学教授 他是气体动理论和热力学的主要奠基人之一 是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家 1850年发表 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 论文首先从焦耳确立的热功当量出发 将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律 并第一次引人热力学的一个新函数U 论文的第二部分在卡诺定理的基础上提出了热力学第二定律的最著名的表述形式 热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体 1854年发表 力学的热理论的第二定律的另一种形式 1865年他发表 力学的热理论的主要方程之便于应用的形式 的论文 引入了一个新的热力学函数并定名为熵 同时提出克劳修斯不等式和 熵增原理 1857年发表 论热运动形式 的论文 第一次推导出著名的理想气体压强公式 1858年发表 关于气体分子的平均自由程 论文 开辟了研究气体的输运过程的道路 1851年从热力学理论论证了克拉珀龙方程 1888年8月24日克劳修斯在波恩逝世 克劳修斯 萨迪 卡诺 N L SadiCarnot 1796 1832年 法国科学家 其主要贡献是创立理想热机理论 1796年6月1日生于巴黎 1812年 考入巴黎理工学院 在那里受教于泊松 盖 吕萨克 安培 Amp re 等一批卓有成就的老师 他主要攻读了分析数学 分析力学 画法几何和化学 1824年6月12日发表 关于火的动力 一书 在这部著作中提出了 卡诺热机 和 卡诺循环 的概念及 卡诺原理 现在称为 卡诺定理 1831年 卡诺开始研究气体和蒸汽的物理性质 1832年8月24日染上霍乱而病逝 热力学第二定律说法的产生和演变 在科学史上 公认克劳修斯最早提出了热力学第二定律 克劳修斯 开尔文和朗肯在1850 1851年间从不同的角度提出了各自不同的说法和论证 热力学第二定律既然是一个经验性很强的定律 那么它的发现必然首先从宏观的大量存在的热和机械功转化现象 特别是热机作功过程开始的 克氏说法和开氏说法虽然都从热机作功的基本假设出发 但没有明确提出 孤立的系统 的前提条件 他们没有也不可能从微观的分子运动观点深入探讨这个定律的含义和作用 以及对这个定律的熵增原理说法作深入和细致的探讨 甚至把它无限推广到宇宙 得出后来引起激烈争论的结论 由于这些原因 热力学第二定律在提出之后 出现了许多深入而更严格的探讨 争论和说法的演化过程 麦克斯韦 玻尔兹曼 奥斯特瓦尔德 马赫和普朗克等著名科学家 都一致指出 热力学第二定律只有在一个孤立系统条件下才成立 关于热力学第二定律在微观方面的解释和说法 主要是由玻尔兹曼提出的 他是在克劳修斯和麦克斯韦工作的基础上 用分子运动的统计观点对熵增原理进行新的表述 玻尔兹曼提出的H定理和克劳修斯提出的熵增原理 与牛顿力学和能量守恒定律不考虑时间的方向性是矛盾的 这使大多数科学家难以接受 先后出现 可逆佯谬 和 循环佯谬 来反对分子运动理论 玻尔兹曼对此进行了有力的反驳 关于热力学第二定律的几率说法 经过19世纪末的争论后 很快得到国际科学界的公认 今天 它已作为热力学第二定律的更加深刻和准确的新说法 在科学史上占有很重要的地位 热寂说的起源 热寂说是开尔文和克劳修斯从机械能的不断耗散观点出发 认为各种形态的能量最终都会在与机械能的转化过程中 以热量的形式趋于平衡 开尔文认为机械能等于各种能 都要以热的形式最终耗散掉 这种能量转化在自然界中是不可逆的 这是他在1852年之后至1862年之间 逐步形成的一种看法 至1862年正式作为一种科学假说提出来的 克劳修斯根据类似的考虑 于1865年将热力学第二定律推广到宇宙 得出宇宙熵趋于极大值 并于1867年正式提出热寂说 克劳修斯认为 在一切自然现象中 熵的总值永远只能增加而不能减少 于是到处不断进行的变化过程 可以下面的定律简短地表述 宇宙的熵趋于极大 宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态 那就任何进一步的变化都不会发生了 这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态 麦克斯韦妖 麦克斯韦提出了他的著名的理想实验 麦克斯韦妖 现在让我们假定这一容器被一个带有一个小孔的间隔分成两部分 A和B 并且能看见单个分子的一个小生物打开和关闭这个小孔 以至于仅仅允许较快的分子从A通到B 和仅仅允许较慢的分子从B通到A 于是 它将不消耗功便能提高B的温度和降低A的温度 而与热力学第二定律矛盾 麦克斯韦妖 的提出 大大促进了对热力学第二定律的正确程度和应用范围的研究 布里渊在1949 1956年间深入研究了信息和熵的关系 认为麦克斯韦理想实验的熵减过程 是由于信息对小妖的作用引起的 信息应该看作系统的熵的负项 即信息是负的熵 麦克斯韦妖 假想实验只能而且必须是一个可从外部引入负熵的开放系统 正因为这样 它并不违反热力学第二定律 熵的本质意义 熵 entropy 一词 西文语源出自希腊语 变化 表示变化的容量 后来 克劳修斯于1865年作为热力学上的一个概念而使用 当时 克劳修斯是为了进一步推广卡诺定理 将热力学第二定律格式化 才引入这个概念的 熵是热力学用以表示一个物质系统中能量衰竭程度的量度 能的衰竭 或熵的增加 是分子随机运动和碰撞的统计学上可以预测的结果 随着熵理论在各门科学技术中的推广 应用和深入研究 熵概念在19世纪中叶又得到进一步的发展 1948年 申农 C E Shannon 从全新的角度上对熵概念作了新定义 申农定义了一个获得离散信息源 产生 的信息量多少的公式 信息 与熵产生了联系 申农将熵概念引入信息论中 赋予了熵广义的概念 开拓了人类知识新的应用领域 因而 熵理论从热力学领域脱颖而出 开始渗透到人类思想 文化和科学技术的各个领域 证明它具有重要的意义 但是 广义的熵概念的完整意义似乎尚未得到充分研究 熵理论在较新领域中应用的可能性还没有得到充分的发挥 有待于进一步的发掘 熵的自然科学意义 在牛顿经典物理学和大多数自然科学理论中 单向时间流的观念是不重要的 在牛顿力学世界模式中 时间成了一个脱离于自然界运动之外的独立存在物 时间成了没有任何自然科学意义上的内容 现在 熵理论将时间与物质世界联系起来 它不再是独立于自然运动之外的存在物 赋予时间以物质的 或能量的意义 熵理论所定义的时间 体现了物质的能量从集中状态向耗散状态 从有序向混乱状态的这种变化 时间只有在能作功的可能能源存在的条件下 才在向前流逝 已经流逝的真正时间数值 是已被消耗尽能量的直接反映 另外 时间的这种单向性流逝 就意味着时间具有开端 既有开端 那必定有终结 在这样一些方面 熵理论所揭示的时间的不可逆性 具有深刻的哲学意义 宇宙研究 熵理论从研究宇宙空间中的能量分布 向我们提供了确凿无疑的证据 宇宙 至少我们所能观察到的这部分宇宙 有一个起源 不仅如此 我们从现存的宇宙中还观察到这样的事实 宇宙中那些能量较集中的恒星和气态星云等局域源 正在不断地向外流出能量 这些能量还在向着它们周围的外层空间不断地辐射 导致了整个宇宙的能量均匀分布 熵增加 这个事实是完全符合熵增原理的 生命本质研究 构成生命体的几十亿个细胞 乃至组成细胞的物质分子作为有生命的物质 它们呈现出某种高超的有序性 乍一看 这似乎是说明生命现象是违反熵理论的 但是 事实并非如此 生命物质正是从周围环境中吸收了能量 负熵 才得以维持这种有序性 克服自身的熵增大趋势的 所以 生命现象和熵理论仍然有联系 正如薛丁谔在 什么是生命 一书中所指出的那样 所有生物 是依靠从它周围的环境中不断地吸取自由能 也即摄取负熵而得以生存的 也就是说 生物不破坏周围环境的秩序 并将负熵不断的吸收到自身体内 就不能生存 他将生物的特性归结为摄取负熵 他和玻尔兹曼等物理学家直观地认为 生物的生命活动 不过是同熵的生成作斗争的过程 这些都显示了理解生命本质的关键是熵 这是极含蓄而又深刻的语言 信息论研究 信息量是信息论的中心概念 信息论量度信息的基本出发点 是把获得的信息看作用以消除不确定性的东西 因此信息数量的大小 可以用被消除的不确定性的多少来表示 而随机事件不确定性的大小可以用几率分布函数来描述 1948年 香农 C E Shannon 把玻尔兹曼熵的概念引入信息论中 把熵作为一个随机事件的不确定性或信息量的量度 从而奠定了现代信息论的科学理论基础 大大促进了信息论的发展 经济学研究领域 经济学领域中熵理论的应用 主要是探讨环境和资源诸问题 信息化社会诸问题 所谓熵增原理 从经济学角度来看 他指出了可使用的能量逐渐丧失 不能使用的能量增加 目前 动力源从世界范围来看 已从煤炭转向石油 从熵理论出发对此种转变作出估价 可以揭示以煤炭和石油为动力的工业社会的增长极限 另外 任何一种资源的品位也都与熵有关联 熵较低 或者说负熵或信息保有量高 的资源是品位高的 在用技术手段加以开发和利用时 因为是要提高资源的纯度 只需要花费较小 较之品位低的资源 的负熵 信息量 相反 在开发和利用熵较