热力学第二定律。科学发现的历史和本质

热力学第二定律。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

The Englishman Humphrey Davy (1788-1829) became a professor at the age of 23, earned many scientific and public awards, and besides, he added the treatment "sir" to his name, was elected president of the Royal Society of London.

在他漫长的科学生涯中，他进行了许多成功的实验。十九世纪初，戴维成功地通过摩擦在零以下的温度下融化了冰。后来，俄罗斯科学家彼得罗夫重复了这一经历。本杰明·汤普森（Benjamin Thompson，1753-1814 年）在独立战争胜利结束后从美国移民，并在巴伐利亚获得了拉姆福德伯爵的称号，他于 1798 年发表了钻炮管的实验结果。在他的一项实验中，在钻头旋转 960 圈时，钻孔圆柱体的温度上升了 37 摄氏度。

戴维得出结论，热量理论与拉姆福德的实验和他自己的实验都不相容，并提出了热的动力学理论，根据该理论，热代表物体粒子的振荡运动，对于气体和液体，他还允许粒子的旋转运动。荣格还加入了热的振动理论。

然而，热量理论继续占主导地位。与所考虑的时期有关的两部关于热理论的最基本的著作，理所当然地进入科学文献黄金基金的著作，都是基于热量的概念。其中的第一部著作是傅立叶的热分析理论，于 1822 年在巴黎出版，是他在数学物理领域多年研究的成果。

另一篇文章属于法国著名数学家拉扎尔·卡诺的儿子萨迪·卡诺。 Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796–1832) 就读于理工学院。自 1814 年以来，他一直担任军事工程师，自 1819 年以来，他一直担任总参谋部的中尉。作为流亡中的共和党部长的儿子，卡诺未能在 1828 年获得晋升和退休。他死于霍乱。发表于 1824 年的论文《关于火的原动力的沉思》是卡诺唯一完成的作品。

卡诺写道：“热只不过是一种驱动力，或者更确切地说，是一种改变了形式的运动；它是物体粒子的运动；无论在哪里发生驱动力的破坏，热量都会以与消失的驱动力的量。相反：总是随着热量的消失而存在驱动力。

因此，可以表达一个普遍的立场：驱动力在自然界中以不变的量存在；严格来说，它从未被创造，也从未被摧毁；事实上，它改变了形式，也就是说，它现在引起一种运动，然后是另一种运动，但从未消失。

根据我对热理论的一些想法，产生一个单位的力需要消耗2,7个单位的热量。

对于这些台词，法国著名科学家亨利·庞加莱在1892年赞叹道：“能量守恒定律是否可以更清晰、更准确地表达出来？”

作为一名工程师，卡诺从事水力发动机的计算和建造。但由于那时蒸汽机在法国越来越多地使用，这位年轻的工程师开始对创建热机理论感兴趣。

那时，科学被认为热是一种物质的观点所主导。但萨迪卡诺决定回答物理学中最困难的问题之一。在什么条件下可以将热量转化为功？卡诺非常熟悉水力发动机的计算，他将热比作水。

他很清楚，要让水磨运转起来，需要一个条件——水必须从高位降到低位。卡诺提出，热量要做功，也必须从高处移到低处，水的高度差对应热量的温差。

1824 年，萨迪·卡诺 (Sadi Carnot) 表达了这一想法，并因此而载入史册：为了在热机中产生功，需要温差，需要两种不同温度的热源。卡诺理论中的这个陈述是主要的，被称为卡诺原理。根据他得出的原理，卡诺提出了理想热机的循环，这是任何真正的发动机都无法超越的。

根据卡诺的说法，理想的机器是一个带有活塞的简单气缸。圆筒底壁具有理想的导热性，它可以放置在热的表面上，例如，放置在充满熔融和固体铅混合物的加热器表面上，或放置在冰箱的表面上，例如，与水和冰的混合物。两种热源都是无限大的。

热力学第二定律指出，第二类永动机是不可能的。该陈述是对卡诺原理的解释，因此在卡诺循环上运行的机器的效率不能取决于循环中使用的物质。

卡诺描述了理想热机的运行循环，展示了如何计算其最大效率。

为此，只需要知道该机器中使用的水蒸气（或任何其他冷却剂，如卡诺所述）的最高和最低温度。这些温度之间的差除以高温值，等于机器的效率。温度必须以绝对开尔文度数表示。这个方程被称为热力学第二定律，所有的技术都遵循它。

根据卡诺公式的计算表明，第一台热机的效率不可能高于 7-8%，如果我们考虑到不可避免的热泄漏到大气中，那么得出的 2-3% 的值应该是被认为是一项重大成就......

很快，正如卡诺预测的那样，与蒸汽一起，燃气也被用于涡轮机，可以加热到高温。如果涡轮机中的热气温度为 800 开尔文（527 摄氏度），而冰箱将其降低到 300 开尔文，那么即使在理想的卡诺循环的情况下，机器的最大效率也无法达到高于 62%。与往常一样，不可避免的热损失导致该数字下降。现代发电厂中安装的涡轮机的最佳示例具有 35-40% 的效率。

卡诺指出了热的一个特殊特征。热量仅通过热“差”产生机械功，即存在温差。这种温差决定了热机的效率。 Paul Clapeyron 在 1834 年发展了卡诺的思想，并引入了一种在热力学研究中非常有价值的图解法。

1850 年，鲁道夫·克劳修斯 (Rudolf Clausius，1822-1888) 的第一部著作《论热的驱动力》出版，其中在卡诺和克拉佩龙之后，再次提出了关于将热转化为功的条件的问题。能量守恒定律，只要求量相等，并不为能量的质变强加任何条件。在这部著作中，克劳修斯从一个新的角度，从热力学理论的角度分析了卡诺的理论。

卡诺的作品最近被威廉·汤姆森（开尔文勋爵）（1824-1907）从遗忘的灰烬中复活。 “汤姆森承认，”PS Kudryavtsev 在他的《物理学史》一书中写道，卡诺认为机器中的热量只是重新分配而不是消耗的观点是错误的。但同时他指出，如果我们放弃卡诺关于热转化为功的条件的结论，那么就会遇到难以克服的困难。 Thomson 得出结论，热理论需要认真重构和额外的实验研究。在他的著作中，克劳修斯认为，与第一定律一样，“在任何情况下，当热产生功时，所消耗的热量与所接受的功成正比”，卡诺的立场应保留为第二定律，即当热量从较热的物体传递到较冷的物体时，就会产生功。根据克劳修斯的说法，这一立场与热的本质是一致的，在热的本质中，热总是“自行”从热体过渡到冷体，反之则不然。

作为第二个原则，克劳修斯提出了一个假设：“热量不能“单独”从较冷的物体传递到较暖的物体。 “单独”一词不应该意味着热量根本不能从冷的物体转移到加热的物体（否则制冷机是不可能的）。它们意味着不可能有这样的过程，唯一的结果将是所提到的过渡，而没有相应的其他“补偿性”变化。

1851 年，汤姆森的三篇论文几乎同时跟进了这项工作。汤姆森从定量的角度考察了各种形式的能量的转化问题，他指出，在相同的定量值下，并非所有类型的能量都能够转化到相同的程度。例如，在某些情况下，热量无法转化为功。汤姆森的假设说：

“通过一个无生命的物体，不可能通过将任何物质的温度冷却到低于周围最冷物体的温度来从任何物质中获得机械作用。”

发展这一立场，汤姆森在他 1857 年的工作中得出了一个众所周知的结论，即自然界中将能量转化为热能和平衡温度的主导趋势，最终导致所有物体的效率降低到零，加热死亡。

1854 年，克劳修斯在他的文章“论热力学第二定律的一种修正形式”中，根据他的假设证明了卡诺定理，并对其进行推广，给出了第二定律的数学表达式，形式为循环过程的不平等。

在随后的著作中，克劳修斯引入了状态函数“熵”，并给出了汤姆森所看到的趋势的数学公式，其形式为“宇宙的熵趋于最大值”。于是，在物理学中，伴随着“世界女王”（能量），她的“影子”（熵）出现了。克劳修斯本人在他 1865 年的工作结束时写道：“第二定律，以我给出的形式，说自然界中发生的所有变化，在一定方向上，我认为是积极的，都可以自己发生。，即没有补偿，但在相反的方向，即在负方向上，它们只有在它们被同时发生的正变换补偿时才会发生。

将这一原理应用于整个宇宙会得出威廉汤姆森首先指出的结论。事实上，如果对于宇宙中发生的所有变化，一个特定方向的转变状态在幅度上始终优于相反方向的转变，那么“宇宙的一般状态必须在第一个方向上发生越来越多的变化，因此它必须不断接近极限状态。

作者：萨明 D.K.

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