誰能告訴我熱力學定律及解釋

題目：

誰能告訴我熱力學定律及解釋

解答：

熱力學第零定律：如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處於熱平衡,那麼它們也必定處於熱平衡
熱力學第一定律：如果一個系統與環境孤立,那麼它的內能將不會發生變化.引申得到,體系的內能變化等於它從環境吸收的熱量與環境在其之上做功的總和.(delta)U=(delta)w+(delta)q
熱力學第二定律有幾種表述方式：
克勞修斯表述：熱量可以自發地從較熱的物體傳遞到較冷的物體,但不可能自發地從較冷的物體傳遞到較熱的物；
開爾文-普朗克表述:不可能從單一熱源吸取熱量,並將這熱量變爲功,而不產生其他影響.
熵表述：隨時間進行,一個孤立體系中的熵總是不會減少.
熱力學第三定律：通常表述爲絕對零度時,所有純物質的完美晶體的熵值爲零.
R.H.否勒和E.A.古根海姆還提出熱力學第三定律的另一種表述形式：任何系統都不能通過有限的步驟使自身溫度降低到0k,稱爲0K不能達到原理.
一、熱力學第一定律
在19世紀早期,不少人沉迷於一種神祕機械, 這種設想中的機械只需要一個初始的力量就可使其運轉起來,之後不再需要任何動力和燃料,卻能自動不斷地做功.在熱力學第一定律提出之前,人們一直圍繞著製造永動機的可能性問題展開激烈的討論,這種不需要外界提供能量的永動機稱爲第一類永動機.
熱力學第一定律是能量守恆定律, 它是說能量可以由一種形式變爲另一種形式, 但其總量既不能增加也不能減少, 是守恆的.本世紀初愛因斯坦發現能量和質量可以互變, 所以能量守恆定律改爲質能守恆定律.這一定律指出物質既不能被消滅也不能被創造, 一度被無神論當作宇宙永恆的根據.
熱力學第一定律的產生是這樣的：在18世紀末19世紀初,隨著蒸汽機在生產中的廣泛應用,人們越來越關注熱和功的轉化問題.於是,熱力學應運而生.1798年,湯普生通過實驗否定了熱質的存在.德國醫生、物理學家邁爾在1841－1843年間提出了熱與機械運動之間相互轉化的觀點,這是熱力學第一定律的第一次提出.焦耳設計了實驗測定了電熱當量和熱功當量,用實驗確定了熱力學第一定律,補充了邁爾的論證.
二、熱力學第二定律
在人們認識了能的轉化和守恆定律後,製造永動機的夢想並沒有停止下來.不少人開始企圖從單一熱源（比如從空氣、海洋）吸收能量,並用來做功.將熱轉變成功,並沒有違背能量守恆,如果能夠實現,人類就將有了差不多取之不盡的能源,地球上海水非常豐富,熱容很大,僅僅使海水的溫度下降1℃,釋放出來的熱量就足夠現代社會用幾十萬年,從海水中吸取熱量做功,則航海不需要攜帶燃料!這種機械被人們稱爲第二類永動機.但所有的實驗都失敗了,因爲這違背了自然界的另一條基本規律：熱力學第二定律.
1824年,法國陸軍工程師卡諾設想了一個既不向外做工又沒有摩擦的理想熱機.通過對熱和功在這個熱機內兩個溫度不同的熱源之間的簡單循環（即卡諾循環）的研究,得出結論：熱機必須在兩個熱源之間工作,熱機的效率只取決與熱源的溫差,熱機效率即使在理想狀態下也不可能的達到100%.即熱量不能完全轉化爲功.
1850年,克勞修斯在卡諾的基礎上統一了能量守恆和轉化定律與卡諾原理,指出：一個自動運作的機器,不可能把熱從低溫物體移到高溫物體而不發生任何變化,這就是熱力學第二定律.不久,開爾文又提出：不可能從單一熱源取熱,使之完全變爲有用功而不產生其他影響；或不可能用無生命的機器把物質的任何部分冷至比周圍最低溫度還低,從而獲得機械功.這就是熱力學第二定律的"開爾文表述".奧斯特瓦爾德則表述爲：第二類永動機不可能製造成功.
熱力學第二定律有多鍾說法,最流行的有兩種：
1. 克勞修斯（Clausius）的表述： "熱量由低溫物體傳給高溫物體而不引起其它變化是不可能的".
熱量從高溫傳到低溫處的過程可自發進行,反之,熱量從低溫傳到高溫處雖可以進行,但有條件,如通過制冷機將熱從低溫處轉到高溫處,除了這部分能量轉化之外,必然引起其它變化,就是還要消耗電功變成熱,就是說,使熱量從低溫向高溫轉移的同時,需消耗另一部分功,變成爲熱.
2. 開爾文（Kelvin）的表述： "從單一熱源取出熱使之完全變爲功,而不發生其它變化是不可能的".
這種說法的意思是從功轉變成熱,可不引起其它變化,(如摩擦生熱,機械功完全轉成熱而不發生其它變化),但是其反過程,將熱變成功,除了這些能量轉換外,必然引起其它變化,否則就不能發生.
克勞修斯和開爾文的兩種表述實際上是一致的,假如熱量可以由低溫傳給高溫物體而不引起其它變化,則熱可以完全變爲功而不引起其它變化；在上述例子中,如果可以無條件地將低溫熱源中的熱傳給高溫熱源,則整個過程是高溫熱源中的熱完全轉變爲功(熱沒有消耗到低溫處),並且沒有發生其它變化(氣體的狀態沒有變化).即克勞修斯的說法不成立的話,則開爾文的說法也不能成立,兩種表述是一致的.
當然,"第二類永動機是不能製成的"也是一種較流行的說法.
熱力學第二定律是人類從生產和生活實踐中所總結出來的經驗規律,它的命運不象熱力學第一定律那樣一帆風順,從它的誕生到20世紀初都在不斷遭受人們的非議和攻擊,在各個時期都有不少人用各種方式企圖來否定它,他們大多數是想製造所謂的"第二類永動機",當然,都以失敗而告終.
熱力學第二定律有豐富的含義,解釋了自然界能量轉化方向的深刻的規律,它描述能量自動傳遞的方向: 分子有規則運動的機械能, 可以完全轉化爲分子無規則運動的熱能；熱能卻不能完全轉化爲機械能.
克勞修斯說法和開爾文說法都揭示了熱的傳遞和轉化的不可逆過程：克勞修斯說法實質上說熱傳遞過程是不可逆的；開爾文說法實質上說功轉變爲熱的過程是不可逆的.
正是各種不可逆過程的內在聯繫,使得熱力學第二定律的應用遠遠超出熱功轉換的範圍,成爲整個自然科學中的一條基本規律.
但熱力學第二定律是有適用範圍的,它只能用於宏觀觀世界,微觀世界如個別分子的運動不能用熱力學第二定律去恆量,而對於超客觀的世界如宇宙,由於它是一個開放的不平衡的體系,熱力學第二定律也無法解釋其發展規律,因而它後有非平衡態熱力學使熱力學得以延伸.
三、熱力學第三定律
是否存在降低溫度的極限?1702年,法國物理學家阿蒙頓已經提到了"絕對零度"的概念.他從空氣受熱時體積和壓強都隨溫度的增加而增加設想在某個溫度下空氣的壓力將等於零.根據他的計算,這個溫度即後來提出的攝氏溫標約爲-239℃,後來,蘭伯特更精確地重複了阿蒙頓實驗,計算出這個溫度爲-270.3℃.他說,在這個"絕對的冷"的情況下,空氣將緊密地擠在一起.他們的這個看法沒有得到人們的重視.直到蓋-呂薩克定律提出之後,存在絕對零度的思想才得到物理學界的普遍承認.現在我們知道,絕對零度更準確的值是－273.15℃.
1848年,英國物理學家湯姆遜在確立熱力溫標時,重新提出了絕對零度是溫度的下限.
隨著低溫技術的發展,人們不斷向低溫極限衝擊,但越是接近絕對零度,溫度的降低越困難.1906年,德國化學物理學家能斯特（Walther Nernst, 1864-1941）在觀察低溫現象和化學反應中發現熱定理,1912年,能斯特又這一規律表爲絕對零度不可能達到原理："不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度."這就是熱力學第三定律.
根據熱力學第三定律,在絕對零度下一切物質皆停止運動.
絕對零度雖然不能達到,但可以無限趨近.
迄今爲止,人類獲得的最接近絕對零度的溫度是0.5nK（0.5×10－9K）,這是2003年由德國、美國、奧地利等國科學家組成的一個國際科研小組,日前改寫的人類創造的最低溫度紀錄.
此外,還有人提出熱力學第零定律：如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處於熱平衡(溫度相同),則它們彼此也必定處於熱平衡.

四、克勞修斯和開爾文簡介
1. 克勞修斯（1822～1888）
克勞修斯在1822年出生於普魯士的克斯林.他的母親是一位女教師,家中有多個兄弟姐妹.他中學畢業後,先考入了哈雷大學,後轉入柏林大學學習.爲了撫養弟妹,在上學期間他不得不去做家庭補習教師.
1850年,克勞修斯被聘爲柏林大學副教授併兼任柏林帝國炮兵工程學校的講師.同年,他對熱機過程,特別是卡諾循環進行了精心的研究.克勞修斯從卡諾的熱動力機理論出發,以機械熱力理論爲依據,逐漸發現了熱力學基本現象,得出了熱力學第二定律的克勞修斯陳述.
在《論熱的運動力……》一文中,克勞修斯首次提出了熱力學第二定律的定義："熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體."這與開爾文陳述的熱力學第二定律"不可製成一種循環動作的熱機,只從一個熱源吸取熱量,使之完全變爲有用的功,而其他物體不發生任何變化"是等價的,它們是熱力學的重要理論基礎.同時,他還推導了克勞修斯方程--關於氣體的壓強、體積、溫度 和氣體普適常數之間的關係,修正了原來的范德瓦爾斯方程.
1854年,克勞修斯最先提出了熵的概念,進一步發展了熱力學理論.他將熱力學定律表達爲：宇宙的能量是不變的,而它的熵則總在增加.由於他引進了熵的概念,因而使熱力學第二定律公式化,使它的應用更爲廣泛了.
1855年,克勞修斯被聘爲蘇黎世大學正教授,在這所大學他任教長達十二年.這期間,他除了給大學生講課外,還積極地進行科學探索.
1857年,克勞修斯研究氣體動力學理論取得成就,他提出了氣體分子繞本身轉動的假說.這一年,他發表了《論我們稱之爲熱能的動力類型》一文,在這篇文章中他將氣體分子的動能不僅看做是它們的直線運動,而且而且看作是分子中原子旋轉和振盪的運動.這樣,他就正確地,儘管不是充分地（只有量子理論才能給予充分的解釋）,確定了實際氣體與理想氣體的區別.同年,他還研究了電解質和電介質.他重新解釋了鹽的電解質溶液中分子的運動；他建立了固體的電介質理論.他還提出描述分子極性同電介質常數之間關係的方程.同時他還提出了電解液分解的假說.這一假說,後來經過阿侖尼烏斯的進一步發展成爲電解液理論.
1858年,克勞修斯通過細心的研究,推導出了氣體分子平均自由程公式,找出了分子平均自由程與分子大小和擴散係數之間的關係.同時,他還提出分子運動自由程分布定律.他的研究也爲氣體分子運動論的建立做出了傑出的貢獻.
1860年,克勞修斯計算出了氣體分子運動速度.後來,他確定了氣體對於器壁的壓力值相當於分子撞擊器壁的平均值.運用與概率論相結合的平均值方法,他開闢了物理學一個極爲重要的領域,即創建了統計物理學的學科.在後來的著作中,克勞修斯推導出能表示受壓力影響的物體熔點（凝固點）的方程式,後來被稱爲克拉佩龍-克勞修斯方程.
克勞修斯在科學研究方面的主要貢獻是建立熱力學基礎；同時,他在分子運動論以及電解質和固體電介質理論方面也都做出了重大的貢獻.鑑於他在物理學各領域中所做出的貢獻和取得的成就,1865年,他被選爲法國科學院院士.
1867年,克勞修斯受聘於維爾茨堡大學,擔任教授.在這所大學裡他任教兩年.在這期間(1868年),他又被選爲英國倫敦皇家學會會長.1869年以後,他任波恩大學教授.1870年他最先提出了均功理論.
1870年至1871年的戰爭期間,克勞修斯的膝蓋慘遭重傷,因此,不得不將學生們的實驗課交給克萊門斯凱特來負責.此人雖然被稱爲"老一輩人"的代表人物,但他並沒有給他的繼承者留下任何設備與儀器.也許,正是由於這個原因,儘管克勞修斯是當時最先進的物理學家,波恩大學的實驗物理卻沒能得到應有的發展,也沒能形成一種科學流派.
克勞修斯不僅在科研方面取得了重大的成就,而且在教學上也取得了良好的效果.他先後在柏林大學、蘇黎世大學、維爾茨堡大學和波恩大學執教長達三十餘年,桃李芬芳.他培養的很多學生後來都已成爲了知名的學者,有的甚至是舉世聞名的物理學家.
另外,克勞修斯除發表了大量的學術論文外,還出版了一些重要的專著,如《機械熱理論》第一卷和第二卷、《勢函數和勢》等.
在克勞修斯的晚年,他不恰當地把熱力學第二定律引用到整個宇宙,認爲整個宇宙的溫度必將達到均衡而不再有熱量的傳遞,從而成爲所謂的熱寂狀態,這就是克勞修斯首先提出來的"熱寂說".熱寂說否定了物質不滅性在質上的意義,而且把熱力學第二定律的應用範圍無限的擴大了.
克勞修斯於1888年逝世,終年六十六歲.克勞修斯雖然在晚年錯誤地提出了"熱寂說",但在他的一生的大部分時間裡,在科學、教育上做了大量有益的工作.特別是他奠定了熱力學理論基礎,他的大量學術論文和專著是人類寶貴的財富,他在科學史上的功績不容否定.他誠摯、勤奮的精神同樣值得後人學習.
2. 開爾文（1824～1907）
開爾文是英國著名物理學家、發明家,原名W.湯姆孫.他是本世紀的最偉大的人物之一,是一個偉大的數學物理學家兼電學家.他被看作英帝國的第一位物理學家,同時受到世界其他國家的讚賞.他的一生獲得了一切可能給予的榮譽.而他也無愧於這一切,這是他在漫長的一生中所作的實際努力而獲得的.這些努力使他不僅有了名望和財富,而且贏得了廣泛的聲譽.
1824年6月26日開爾文生於愛爾蘭的貝爾法斯特.他從小聰慧好學,10歲時就進格拉斯哥大學預科學習.17歲時,曾立志："科學領路到哪裡,就在哪裡攀登不息".1845年畢業於劍橋大學,在大學學習期間曾獲蘭格勒獎金第二名,史密斯獎金第一名.畢業後他赴巴黎跟隨物理學家和化學家V.勒尼奧從事實驗工作一年,1846年受聘爲格拉斯哥大學自然哲學（物理學當時的別名）教授,任職達53年之久.由於裝設第一條大西洋海底電纜有功,英政府於1866年封他爲爵士,並於1892年晉升爲開爾文勳爵,開爾文這個名字就是從此開始的.1890～1895年任倫敦皇家學會會長.1877年被選爲法國科學院院士.1904年任格拉斯哥大學校長,直到1907年12月17日在蘇格蘭的內瑟霍爾逝世爲止.
開爾文研究範圍廣泛,在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻.他一生發表論文多達600餘篇,取得70種發明專利,他在當時科學界享有極高的名望,受到英國本國和歐美各國科學家、科學團體的推崇.他在熱學、電磁學及它們的工程應用方面的研究最爲出色.
開爾文是熱力學的主要奠基人之一,在熱力學的發展中作出了一系列的重大貢獻.他根據蓋-呂薩克、卡諾和克拉珀龍的理論於1848年創立了熱力學溫標.他指出："這個溫標的特點是它完全不依賴於任何特殊物質的物理性質."這是現代科學上的標準溫標.他是熱力學第二定律的兩個主要奠基人之一（另一個是克勞修斯）,1851年他提出熱力學第二定律："不可能從單一熱源吸熱使之完全變爲有用功而不產生其他影響."這是公認的熱力學第二定律的標準說法.並且指出,如果此定律不成立,就必須承認可以有一種永動機,它藉助於使海水或土壤冷卻而無限制地得到機械功,即所謂的第二種永動機.他從熱力學第二定律斷言,能量耗散是普遍的趨勢.1852年他與焦耳合作進一步研究氣體的內能,對焦耳氣體自由膨脹實驗作了改進,進行氣體膨脹的多孔塞實驗,發現了焦耳－湯姆孫效應,即氣體經多孔塞絕熱膨脹後所引起的溫度的變化現象.這一發現成爲獲得低溫的主要方法之一,廣泛地應用到低溫技術中.1856年他從理論研究上預言了一種新的溫差電效應,即當電流在溫度不均勻的導體中流過時,導體除產生不可逆的焦耳熱之外,還要吸收或放出一定的熱量（稱爲湯姆孫熱）.這一現象後叫湯姆孫效應.
在電學方面,湯姆孫以極高明的技巧研究過各種不同類型的問題,從靜電學到瞬變電流.他揭示了傅立葉熱傳導理論和勢理論之間的相似性,討論了法拉第關於電作用傳播的概念,分析了振盪電路及由此產生的交變電流.他的文章影響了麥克斯韋,後者向他請教,希望能和他研究同一課題,並給了他極高的讚譽.
開爾文在電磁學理論和工程應用上研究成果卓著.1848年他發明了電像法,這是計算一定形狀導體電荷分布所產生的靜電場問題的有效方法.他深人研究了萊頓瓶的放電振盪特性,於1853年發表了《萊頓瓶的振盪放電》的論文,推算了振盪的頻率,爲電磁振盪理論研究作出了開拓性的貢獻.他曾用數學方法對電磁場的性質作了有益的探討,試圖用數學公式把電力和磁力統一起來.1846年便成功地完成了電力、磁力和電流的"力的活動影像法",這已經是電磁場理論的雛形了（如果再前進一步,就會深人到電磁波問題）.他曾在日記中寫道："假使我能把物體對於電磁和電流有關的狀態重新作一番更特殊的考察,我肯定會超出我現在所知道的範圍,不過那當然是以後的事了."他的偉大之處,在於能把自己的全部研究成果,毫無保留地介紹給了麥克斯韋,並鼓勵麥克斯韋建立電磁現象的統一理論,爲麥克斯韋最後完成電磁場理論奠定了基礎.
他十分重視理論聯繫實際.1875年預言了城市將採用電力照明,1879年又提出了遠距離輸電的可能性.他的這些設想以後都得以實現.1881年他對電動機進行了改造,大大提高了電動機的實用價值.在電工儀器方面,他的主要貢獻是建立電磁量的精確單位標準和設計各種精密的測量儀器.他發明了鏡式電流計（大大提高了測量靈敏度）、雙臂電橋、虹吸記錄器（可自動記錄電報信號）等等,大大促進了電測量儀器的發展.根據他的建議,1861年英國科學協會設立了一個電學標準委員會,爲近代電學量的單位標準奠定了基礎.在工程技術中,1855年他研究了電纜中信號傳播情況,解決了長距離海底電纜通訊的一系列理論和技術問題.經過三次失敗,歷經兩年的多方研究與試驗,終於在1858年協助裝設了第一條大西洋海底電纜,這是開爾文相當出名的一項工作.他善於把教學、科研、工業應用結合在一起,在教學上注意培養學生的實際工作能力.在格拉斯哥大學他組建了英國第一個爲學生用的課外實驗室.
湯姆孫還將物理學用到完全不同的領域.他研究過太陽熱能的起源和地球的熱平衡.他的方法可靠而有趣,但只由於他不知道太陽和地球上的能量來自核能,因而不可能得到正確的結論.他試圖用落到太陽上的隕石或用引力收縮來解釋太陽熱能的起源.約在1854年,他估算太陽的"年齡"小於5×108年,而這只是我們現在知道的值的十分之一.
從地球表面附近的溫度梯度,湯姆孫試圖推算出地球熱的歷史和年齡.他的估算仍然太低,僅爲4×108年,而實際值約爲5×109年.地質學家以地質現象的演變爲理論根據,很快就發現他的估算是錯誤的.他們不能駁倒湯姆孫的數學,但他們肯定他的假定是錯誤的.同樣,生物學家也發現湯姆孫給出的時間進程與最新的進化論的觀念相悖.這一爭論持續了多年,湯姆孫完全不理解別人的反對意見是正確的.最後,直到放射性和核反應的發現,才證明了湯姆孫假設的前提是完全錯誤的.
流體力學特別是其中的渦旋理論成爲湯姆孫最喜愛的學科之一,他受亥姆霍茲工作的啓示,發現了一些有價值的定理.他航行的收穫之一是在1876年發明了適用於鐵船的特殊羅盤,這一發明後來爲英國海軍所採用,而且一直用到被現代迴轉羅盤代替爲止.湯姆孫的企業生產了許多磁羅盤和水深探測儀,從中大爲獲利.
基於他的實踐經驗和理論知識,湯姆孫感到迫切需要統一電學單位,公制的引入使法國革命向前跨了一大步,但是電學測量卻產生了全新的問題.高斯和韋伯奠定了絕對單位制的理論基礎,"絕對"意味著它們與特定的物質或標準無關,僅取決於普適的物理定律.在絕對單位制中如何確定刻度,如何選擇合適的倍數因子使它能方便地應用於工業,如何勸說科技界共同接受這一單位制,所有這一切都是重要並且困難的任務.1861年英國科學協會任命一個委員會開始這項工作,湯姆孫是其中的一員.他們努力工作了許多年,一直到1881年,由湯姆孫和亥姆霍茲起主導作用的在巴黎召開的一次國際代表大會,和1893年,在芝加哥召開的另一次代表大會,才正式接受這一新的單位制,並採用伏特、安培、法拉和歐姆等作爲電學單位,從此它們被普遍使用.然而,單位制的問題並未就此解決,後來的一些會議又改變了其中某些標準量的定義,它們的實際值也相應變動了,雖然這種變動是非常小的.
開爾文一生謙虛勤奮,意志堅強,不怕失敗,百折不撓.在對待困難問題上他講："我們都感到,對困難必須正視,不能迴避；應當把它放在心裡,希望能夠解決它.無論如何,每個困難一定有解決的辦法,雖然我們可能一生沒有能找到."他這種終生不懈地爲科學事業奮鬥的精神,永遠爲後人敬仰.1896年在格拉斯哥大學慶祝他50周年教授生涯大會上,他說："有兩個字最能代表我50年內在科學研究上的奮鬥,就是'失敗'兩字."這足以說明他的謙虛品德.爲了紀念他在科學上的功績,國際計量大會把熱力學溫標（即絕對溫標）稱爲開爾文（開氏）溫標,熱力學溫度以開爾文爲單位,是現在國際單位制中七個基本單位之一.
開爾文的一生是非常成功的,他可以算作世界上最偉大的科學家中的一位.他於1907年12月17日去世時,得到了幾乎整個英國和全世界科學家的哀悼.他的遺體被安葬在威斯敏斯特教堂牛頓墓的旁邊.