hk热力学三定律与三个不可能

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热力学三定律与三个不可能

---教学随笔·张建平

热力学第一、第二、第三定律，可用三个不可能来概括．本文试图通过其产生的过程以体现人类对自然不断探求的历程．

一、热力学第一定律与第一个“不可能”

能量守恒和转换定律是自然界中一个普遍成立的原理，它的建立是长期生产技术和自然科学发展的必然结果．

事实上，对于能量守恒和转换定律的具体认识，是从力学的研究开始的．而第一类永动机不可能实现，恰好是导致能量守恒和转换定律确立的另外一个重要依据．早期的一个著名的永动机设计方案是由法国人奥恩库尔于13世纪提出来的，其构造如图1所示．在一个轮子的边缘上等距离地安装了12根活动的短杆，每根杆端套装一个重锤，他当初的设想是，当轮子借助外力转动起来以后，由于右侧的重锤距离轮心较远，因此一定会迫使轮子沿图中所示的顺时针方向永不停息地一直转动下去，但是,实际上轮子只转动一两圈后就停下来了． 第一类永动机必然失败的根本原因在于它违反了热力学第一定律，即能量守恒和转换定律．任何系统对外做功时都必须消耗系统本身的能量，而所有第一类永动机的设想，却都是企图在不消耗能量的条件下无中生有地得到有用功，这自然是不可能实现的．

二、热力学第二定律与第二个“不可能”

在提高热机效率的研究中，英国物理学家威廉·汤姆孙(1824—1888)即开尔文于1851年与德国物理学家克劳修斯(1822—1888)几乎同时建立了热力学第二定律．克劳修斯把其表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响．也就是说不可能有这样的机械，它完成了一个循环后的惟一效果就是从一个低温物体吸热并传给高温物体．开尔文把其表述为：不可能从单一热源吸收热量并把他全部用来做功，而不引起其他变化．而第二类永动机所要实现的就是在没有温差的情况下，从某个单一热源不断的吸收热量并把它完全转换成有用功的理想动力机械．从能量转换的观点看，这类永动机并不违反热力学第一定律，但它之所以不可能实现，是由于违背了热力学第二定律．否则，我们就可以将海水作为热源，从中源源不断地获得有用的功，这实际上也就是一种永远消耗不尽的能源．1880年，美国的加姆吉就曾进行过这种尝试，他设计了一个类似于蒸汽机的热机，由于它的正常运转温度是O℃，所以被称为“冰点发动机”，这个发动机用沸点为一33℃的氨作工作物质．加姆吉原来设想，液态氨在低温下会从周围环境吸取热量并汽化为气态，而在O℃时就会以很大的压力推动活塞运动同时对外做功，气态氨又因膨胀冷却而凝结为液态，于是循环重新开始．但是他没有考虑到，如果要使氨由气体再凝结为液态，就必须使冷凝器和贮存液态氨的容器保持低于一33℃的温度，而这样做所消耗的能量反而比“冰点发动机”所能提供的能量更多． 热力第二定律的确立使人们走出了制造第二类永动机的幻想，转而去寻找和制造高效率的机器．

三、热力学第三定律与第三个“不可能”

1912年，德国物理化学家能斯脱(1864—1941)在研究化学反应的低温性质时，发现了热力学第三定律，并明确断言：“不可能用有限的手段使一个物体冷却到绝对温度的零度．”这个定理又称为“绝对零度不可能达到原理．”直到目前还不能用实验加以直接验证热力学


第三定律，但其正确性是由它所得到的一切推论都与实验观测的结果相符合而获得保证的．也可利用量子态的不连续概念，从量子统计理论导出它的结论．

人类在探求更加接近绝对零度的努力始终没有停止过，特别是从20世纪50年代以来，

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人们利用核绝热去磁和稀释制冷等各种先进的方法于1956年已能达10K的低温，近年来更

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进一步达10K的极低温，但仍未能突破热力学第三定律所规定的极限．

总之，热力学的第一、第二、第三定律都采取同样的形式，都是说有某种事情做不到，第一定律说第一类永动机不可能制成；第二定律说第二类永动机不可能制成；第三定律说绝对零度不可能达到．但是，在不可能的意义上三者是有区别的，热力学第一和第二定律的确定及任何一客观过程都必须遵从这两个定律，对于永动机的不可能实现作出了科学上的最终判决，使得人们走出幻想的境界，转而去不断探求各种能量形式相互转换的条件，以便最有效地利用自然界所能提供的各种各样的能源．但第三定律却不阻止人们去想尽办法尽可能接近绝对零度，去探求低温世界的奥秘．

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