热力学两大定律.doc

痛苦的追求永动机，意外的收获热力学两大定律关键词：永动机 卡诺循环 热力学第一定律 热力学第二定律 熵摘要：永动机是热力学史上一个人类走过的弯路，但因为对永动机的研究，人们总结出了热力学的两大定律，特别是熵的提出和克劳修斯不等式的提出，为研究平衡提供了依据。永动机是热力学史上一个让人舍不得醒来的梦。它是那样的美好，是那样的让人垂涎。永动机的产生有它特定的历史条件。对永动机的追求是人类历史上走过的一段弯路，但失之东榆，收之桑隅，人类却因此而总结出了热力学上的两大定律，极大的促进了科学的发展。历史上的永动机共有两类，第一类永动机和第二类永动机。热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题。在工业革命的推动下，工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机。人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能。甚至幻想制造一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功，这就是所谓的第一类永动机。欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。这是为什么了？我们可以看到，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在图中所画的位置上。随后人们又制造出了各种各样的永动机，但无一例外的都以失败告终。在这些大量失败实验的基础上，焦耳在18401848年间做了大量实验，测定了热与多种能量的相互转化时的严格的数量关系。以往热的单位是cal（卡），功以erg（尔格）为单位，焦耳的实验结果为1cal=4184107erg，这就是著名的热功当量。此后，更准确地测定为4184107erg，即4184J（焦耳）。焦耳实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总数量不变。能量守恒转换定律的建立，对制造永动机的幻想作了最后的判决，因而热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”。用公式表述热力学第一定律，则为：U = Q+ W（这里的W是外界对系统做的功）从上述公式，我们可以假设，现在有一台机械，它在做功的过程中无可避免地要克服摩擦作额外功，也就是说它有一部分的机械能转化为了动能，而根据能量守恒定律，能量是不会凭空产生的，也就说在机械中，它的能量总和始终是1，而且它要克服摩擦做功，就是1在不断地减少，每一个周期1就减少一点，但总能量还是守恒的，也就是1最终会变成0，就是1最终会完全变成内能。而机械的总能量就不可能是1了。所以，第一类永动机是不可能存在的。由此则人们对第一类永动机的追求逐渐减弱。但人们又开始了对第二类永动机的追求。假设某一系统在变化中能够吸收四周的能量，如空气或海水中的能量，当该系统回返于初态时，有Q=W这就是说，该系统吸收空气或海水中的热量，产生了功，而又回返到初态，如此周而复始地反复进行，永不停止，功亦无限，这不是永动机又为如何呢？为加以区别历史上称此类永动机为第二类永动机（丝毫 不违背热力学第一定律）；违反热力学第一定律的那类永动机则称为第一类永动机。容易看出，第二类永动机的设计者并不希望无中生有地产生能量，而寄希望于从周围大自然热库大地、 海洋、大气中把能量取出来，然后通过一种设计巧妙的机器，把从大自然热库中吸收来的热能全部转化 为功。这是多么美妙的幻想，若能实现，岂不就是找到了取之不尽、用之不竭的能源了吗？有人测算过， 若能造出这样的热机，那么，只要使整个海水温度降0.01C，则机器对外所做的功就可供全世界的工厂上 千年之用。美梦若能实现，轮船大可利用海水中的热量，不必烧煤或烧油，就能航行在害上；冰箱不必耗 电反而可用来发电而提供动力，岂不快哉，美妙得使人难以置信。第一类永动机违反热力学第一定律，因此遭到失败。但从第一定律来看，第二类永动机似可实现，它和第 一类永动机有本质上的不同。从热力学第一定律来看，容许工作物质序曲的能量全部用来做功，然而事实 并非如此，所有设计制造第二类永动机的任何尝试均告失败。这正说明了热力学第一定律虽然是正确的，但远非是充分的：违反第一定律的现象是决定不可能发生，但不违背热力学第一定律的现象也不一定就能发生。自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行的，反方向的逆过程是不可能自动进行的。其中，有如下几个热力学过程的方向性：1.功热转换过程的方向性，即功转化为热实质上是机械能转变为内能的过程。2.热传导的方向性，即两个温度不同的物体进行热接触，热量将自动地从高温物体传向低温物体，直至它们达到热平衡，具有相同的温度。3.气体绝热自由膨胀的方向性，在气体自由膨胀过程中，气体分子从占有较小的空间自发地变化到占有较大的空间，这样分子按位置分布的不确定性变大，即分子运动的无序性变大。卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉莱昂纳尔萨迪卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程。卡诺循环包括四个步骤：等温可逆膨胀，在这个过程中系统从环境中吸收热量；绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功；绝热可逆膨胀，系统消耗热力学能对外做功；等温可逆压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量；绝热可逆压缩，系统恢复原来状态，在这个过程中系统对环境作负功。卡诺循环的效率：任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致。可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致；还可以证明，所有实际循环的效率都低于同样条件下卡诺循环的效率，也就是说，如果高温热源和低温热源的温度确定之后卡诺循环的效率是在它们之间工作的一切热机的最高效率界限。因此，提高热机的效率，应努力提高高温热源的温度和降低低温热源的温度，低温热源通常是周围环境，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法在卡诺循环的基础上，德国人克劳修斯和英国人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定律后，提出热力学第二定律。这一定律指出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。而热力学第二定律的数学表达式克劳修斯不等式：dSq/T这一表达式是热力学第二定律的最普遍的表示式，因为这个式子所涉及的过程是微小的变化，它相当于其他任何过程的基元过程。并且引入了一个不等号，这对热力学是有极大作用的，它在以后被用来判断的平衡的方向。由此人们才清醒的意识到这两类永动机都是无法实现的，虽然在这中间有无数怀着对科学无比执着的精神，用他们的青春与毕身的精力去从事永动机的研究，包括达芬奇、焦耳这样的学术大家，另外中国的国民革命军将领黄维在被中国人民解放军俘虏后也一直从事永动机的研制，直到逝世。他们的研究注定是要以失败告终的，但在这研究中间，他们为热力学两的定律的发现也是作出了不可磨灭的贡献。今天当我们学了热力学的两大定律之后，我们再回头去看当年人们对于永动机的追求是那样的好笑，但这却实是人类热力学史，甚至是人类历史上一个非常美好的梦，美的让人舍不得醒来。但