熱力學(xué)三定律內(nèi)容(熱力學(xué)三大定律)

這種現(xiàn)象在任何系統(tǒng)中都會(huì)發(fā)生。隨著時(shí)間的推移，可用能量最終將讓位于不可用能量。雖然能量不能根據(jù)第一定律被創(chuàng)造或毀滅，但它可以從有用的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴惶杏玫臓顟B(tài)，例如熱能（熱量）。

隨著時(shí)間的推移，每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)從低熵狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哽貭顟B(tài)。

在我們的燈泡示例中，我們將燈泡打開(kāi)將電能轉(zhuǎn)化為輻射能的時(shí)間越長(zhǎng)，我們繼續(xù)以熱的形式轉(zhuǎn)化為不可用能量的可用能量就越多。隨著系統(tǒng)內(nèi)可用能量的減少和不可用能量的增加，我們說(shuō)系統(tǒng)的熵增加。從數(shù)學(xué)上講：

這里，宇宙內(nèi)部的總熵Suniverse等于系統(tǒng)內(nèi)部的總熵Ssys加上所有周?chē)h(huán)境的總能量Ssurr，所有這些都不能小于0。為什么呢？因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候，一天中的任何時(shí)候，所有能量都在從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，而其中一種形式是無(wú)法使用的能量。駕駛汽車(chē)使用機(jī)械能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，但在此過(guò)程中也將大量能量轉(zhuǎn)化為熱量。這是不可避免的副產(chǎn)品。

考慮熵的另一種方法是概率。以一個(gè)裝滿(mǎn)拼圖的盒子為例。您將所有拼圖塊從盒子中取出，其中一塊隨機(jī)落在與另一塊完美連接的位置的概率是多少？這是一個(gè)很小的概率。一塊棋子隨機(jī)落入同一個(gè)盒子中無(wú)法容納另一塊棋子的位置的概率是多少？這是一個(gè)非常高的概率。

完全混亂！熵以概率占上風(fēng)。

在這個(gè)拼圖示例中，隨機(jī)放置的拼圖塊代表了更高形式的無(wú)序或熵。這就是為什么輪胎被刺破時(shí)會(huì)釋放空氣，或者為什么在室溫下放置的冰塊最終會(huì)融化，或者為什么電路中的電子從負(fù)極流向正極。當(dāng)然，所有這些動(dòng)作都有可能反向發(fā)生，但發(fā)生的概率很低，而且概率增加的牌堆得太高，根本不會(huì)發(fā)生。

在電子學(xué)中，我們看到熱力學(xué)第二定律與塞貝克效應(yīng)一起發(fā)揮作用。當(dāng)熱量施加到兩個(gè)導(dǎo)體之一時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，導(dǎo)致加熱的電子流向較冷的導(dǎo)體。如果一對(duì)加熱導(dǎo)體在電路中連接在一起，加熱效應(yīng)將導(dǎo)致直流電（DC）流過(guò)電路。在這種情況下，冷導(dǎo)體中處于較低熵狀態(tài)的電子被加熱到較高熵狀態(tài)，因此無(wú)序度增加。

塞貝克效應(yīng)利用熱量產(chǎn)生直流電。

熱力學(xué)第三定律

熱力學(xué)第三定律指出，絕對(duì)零溫度下的完美晶體結(jié)構(gòu)將具有零無(wú)序或零熵。然而，如果這種晶體結(jié)構(gòu)中存在最微小的缺陷，那么熵也將是最小的。不過(guò)，這個(gè)定律有點(diǎn)奇怪，因?yàn)榧词乖诹汩_(kāi)爾文，一些原子運(yùn)動(dòng)仍然會(huì)發(fā)生，所以它有點(diǎn)理論化。無(wú)論如何，這條定律讓我們了解到，當(dāng)系統(tǒng)的熵接近絕對(duì)零的溫度時(shí)，系統(tǒng)中存在的熵會(huì)減少。

熱力學(xué)第三定律。

熱力學(xué)第零定律

熱力學(xué)第零定律指出，如果兩個(gè)系統(tǒng)與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，那么前兩個(gè)系統(tǒng)也彼此處于熱平衡。使用我們的舊方程傳遞屬性：

如果系統(tǒng)A與系統(tǒng)C處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)B與系統(tǒng)C處于平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)A和系統(tǒng)B也處于平衡狀態(tài)。該定律允許您定義系統(tǒng)之間的熱流方向。如果您知道一組連接系統(tǒng)的溫度，那么您就會(huì)根據(jù)熱平衡的基本原理知道熱量將朝哪個(gè)方向傳播。

建立系統(tǒng)之間的熱平衡。

請(qǐng)注意，雖然我們最后介紹了第零定律，但它實(shí)際上是最先介紹的。18世紀(jì)定義熱力學(xué)定律時(shí)，只包括前三個(gè)定律。然而，科學(xué)家意識(shí)到他們需要定義溫度運(yùn)動(dòng)的第四定律。英國(guó)科學(xué)家羅伯特·福勒沒(méi)有對(duì)所有現(xiàn)有法律進(jìn)行重新編號(hào)并給現(xiàn)有文獻(xiàn)增加混亂，而是提出了“零法則”這個(gè)名稱(chēng)。

誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了這些定律？

熱力學(xué)定律不是一個(gè)人發(fā)現(xiàn)的。這一發(fā)展可以追溯到1600年代，當(dāng)時(shí)首次提出了熱和溫度的基本概念。1824年，法國(guó)物理學(xué)家薩迪·卡諾在討論理想機(jī)器的效率時(shí)第一個(gè)定義了熱力學(xué)的基本原理。薩迪最初使用熱量系統(tǒng)來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損失的熱量，后來(lái)在熱力學(xué)第二定律中被熵所取代。

薩迪·卡諾，熱力學(xué)之父。

1850年，德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏固岢隽丝藙谛匏孤暶?，指出“熱量通常不能自發(fā)地從較低溫度的材料流向較高溫度的材料”。大約在同一時(shí)間，威廉·湯姆森（開(kāi)爾文勛爵）制定了開(kāi)爾文聲明，其中表示“在一個(gè)循環(huán)中不可能完全轉(zhuǎn)換熱量（而不損失能量）”。這兩個(gè)陳述后來(lái)形成了熱力學(xué)第一定律和第二定律基礎(chǔ)。熱力學(xué)第三定律后來(lái)由德國(guó)化學(xué)家瓦爾特·能斯特提出，通常被稱(chēng)為能斯特定理。

開(kāi)爾文勛爵，熱力學(xué)定律背后的偉大思想家之一。

把它們放在一起

環(huán)顧四周，看看這個(gè)充滿(mǎn)運(yùn)動(dòng)能量的神奇世界，您就會(huì)看到熱力學(xué)定律在發(fā)揮作用。無(wú)論是在將食物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為體內(nèi)可用能量的過(guò)程中，還是在汽車(chē)或飛機(jī)中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程中。熱力學(xué)是一種生活方式。您甚至?xí)陔娮釉O(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)定律。像基爾霍夫電流定律這樣的原理與熱力學(xué)第一定律完全一致，該定律指出，進(jìn)入一組節(jié)點(diǎn)的電流必須流出，就像能量不能被創(chuàng)造或破壞，只能被轉(zhuǎn)化一樣。關(guān)于熱力學(xué)第二定律，我們觀察到電路中的塞貝克效應(yīng)，其中加熱的電子將流向較冷的導(dǎo)體，在此過(guò)程中在電路中產(chǎn)生電流。在這里，熵在起作用，無(wú)論它走到哪里，都會(huì)造成越來(lái)越多的混亂。

無(wú)論你在設(shè)計(jì)什么，你都是根據(jù)熱力學(xué)定律進(jìn)行設(shè)計(jì)的。將這些原則付諸實(shí)踐，