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(热力学第一第二定律)-能量守恒定律公式

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

卡诺去世46年后（1878年），他的论文被克拉贝隆（Benoit Pierre Emile Clapeyron, 1799-1864），开尔文（LordKelvin, 1824-1888），克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822－1888）等人重新关注。其中，克拉贝隆建立了理想气体的状态方程，

PV=nRT (2)

其中，P表示气体压强，V表示体积，n表示摩尔数，R为摩尔气体常数，T为绝对温度。还依据示功图描述了卡诺循环，这为热力学分析奠定了重要基础。

图5 瓦特示功器。1800年瓦特发明了蒸汽示功器，其中的曲线即为气体的P-V曲线，为克拉贝隆的研究提供了基础（1834）

1850年，克拉贝隆的研究引起了克劳修斯的关注，克劳修斯指出卡诺定律如果成立必须满足第二热力学定律，即“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。”克劳修斯还引进了“熵”的概念。笼统的讲，熵表征了热力学系统分子运动的混乱程度：系统温度越高，分子运动越混乱，熵值越高；相反，系统温度低，分子相对有序的运动，熵值越低。由于热只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体自发的传向高温物体，因此系统在自发状态下总是沿着温度升高的方向发展，热力学第二定律也被称为熵增定律。

1851年，爱尔兰物理学家开尔文也独立的给出了第二定律的另一种描述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。因为按照卡诺定理，功可以完全变成热，而热却不能完全的产生功（热机效率不可能达到1），总会伴随着热从高温热源向低温热源耗散损失。第二类永动机通常描述为“旨在从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机”，显然与热力学第二定律相矛盾。

热力学第一、第二定律的诞生彻底终结了第一、第二类永动机，但人们对美好生活的追求绝不会停止，人们又指望设计一种完全没有无用损伤，热效率可达100%的永动机，这被称为第三类永动机。

从卡诺热机效率的式(1)可以看出，当低温热源T2等于绝对零度（-273oC）时，热机效率可以达到100%。但是T2=0是不可能的，根据状态方程(2)可知，当T等于0时，要么P=0，要么V=0，而实际上气体总会有一定的体积和压强，绝对零度是根据状态方程的外推结果，并不是一种真实情况。而绝对零度不可能达到被称为热力学第三定律，是第三类永动机的终结者。

相比于第一、第二定律，第三定律的提出要晚很多，大概在1906-1912之间由德国化学家恩斯特（Walther Nernst，1864-1941）提出。恩斯特在1912年的一篇论文中写道：“任何程序都不可能在有限的步骤中使等温线T=0”，即绝对零度不可能达到。后来，普朗克（Max Planck，1858-1947）给出了热力学第三定律的另一种表述：所有纯晶体均质材料在内部平衡状态下，其熵在绝对零度时都为0（在普通的热力学中只关心熵的变化，并不关心熵的取值）。

简单来看，第三定律可以从卡诺定律导出，似乎意义不大，其实不然。恩斯特定律的提出为化学家根据热量测量确定化学反应的自由能提供了依据。此外，恩斯特在实验中发现，在低温条件下，比热显着下降，并大胆的预测了比热可能会在绝对为零时消失，这对量子力学的发展提供了强有力的驱动力。

第三类永动机人们没有从机械的角度来考虑（太难了），通常认为理想单摆在不受阻力作用时，就是第三类永动机。此外，也有人将“太阳-行星”体系、“原子-电子”体系视为第三类永动机，或许它们没有与环境的能量交换，不过这也不一定就是真理。

1990年代，美国人在亚利桑那州的沙漠里曾进行过一个称为“生物圈2号”（Biosphere 2，美国人将地球本身命名为1号）的实验，该项目占地1.27公顷，以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板，设计有热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠等5个野生生物群落和集约农业区和居住区2个人工生物群落。生物圈2号，被构造成一个全封闭系统，为了避免内部压力变化破坏玻璃窗板，生物圈2号设计两个薄膜覆盖的空间，它们可随压力改变体积，被称为生物圈2号的“肺”。

图6 生物圈2号

生物圈2号共在1991至1993年进行了两期实验，遗憾的是，研究人员发现生物圈2号的氧气与二氧化碳的大气组成比例，无法自行达到平衡；水泥建筑物也会影响到正常的碳循环；此外，物种多样性相对单一，缺少足够分解者作用，多数动植物无法正常生长或生殖，其灭绝的速度比预期的还要快。经广泛讨论，确认“生物圈2号”实验失败。

生物圈2号希望构建一个可永远运动的封闭系统（该系统也被视为在太空构建封闭生物圈的先驱），该系统可自行循环，是一个转化效率可达100%的“热系统”，或许生物圈2号就是违背了热力学第三定律，最终导致了它的失败。

回顾三类永动机的破灭和热力学三大定律，或许可以得出一些个人成长的启示：在生活中只有付出才能得到回报，因为根据能量守恒，任何不劳而获的想法都是徒劳的；

热力学第二定律告诉我们自然系统的演化具有方向性，无论我们做什么，都会产生永久性的影响。在我们做出某些决定时，一定要加倍小心，因为一旦我们做了相应的事情，就无法回到原状，这大概就是我们常说的“世界上没有后悔药”。这也深刻的启示我们，如果所做的事是符合社会价值观、对社会和民族有益的事情，它的益处迟早会表现出来，而做相反的事，它的坏处也迟早会影响到我们的生活；

热力学第三定律告诉我们不要指望自己的付出会100%的得到回报，事事不尽如人意就是客观规律，要学会与遗憾和平共处。大自然是如此的吝啬，不过不要气馁，正如生物圈2号，是大自然逼迫人们在相对封闭空间内留出一扇通往外界的大门！

本文到此结束，希望对大家有所帮助呢。

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