热力学第一定律基本内容是,热可以转变为功,功也可以转变为热;消耗一定的功必产生一定的热,一定的热消失时,也必产生一定的功。热力学第一定律是能量守恒原理的一种表达方式。

热力学第二定律,又称“熵增定律”,表明了在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小,只会不断增加。

热力学三大定律科普(难真难)(1)

这个世界的每个过程、活动、改变、颤动,都让它更没有秩序。还有更令人不安的呢,这些会增加混乱的活动是不可逆的。

比如火炉里燃烧的木柴,如果木柴烧过了,该怎么做才能把它复原?

不防试着反转燃烧过程,把它给我们的热能还回去,甚至可以用光照一照,把它给我们的光也还回去。但是不管怎么加热或用光线照射,那一堆可怜的焦炭都无法恢复木材原有的形状。

平常聊天的时候,如果把日常的混乱称为“熵”,不但没有人反对,而且还会觉得富有诗意。

热力学三大定律科普(难真难)(2)

但如果谈的是热力学第二定律,我们就要讨论“熵”对科学家还有工程师来说有什么意义。

我们用一种十分特别的方式定义熵:系统能量无法做功的程度。换句话说,熵就是系统能量不受控制、无法使用的一种度量。

但是,工程师最喜欢的工作莫过于控制热能,好让他随意地听从自己使唤,这正是我们所钟爱的各种机器与发电厂背后的核心秘密和想法。

我们采取的第一个步骤,就是运用煤、石油、天然气或核能制造蒸汽、推动涡轮。涡轮接着转动发电机,我们便由此取得电力。早期的热能转换是以蒸汽推动火车、轮船、牵引机,甚至是印刷机。但说实在的,我们无法充分运用蒸汽里的能量,损耗的能量非常大,能源利用率低的可怜,但相比于传统的人力与蓄力那可实在强大多了。

我们说“无法做功”,暗示着能量有“集中”或“分散”两种形式。如果我们有个装满蒸汽的金属槽,它当然可以推动小型蒸汽引擎的活塞,因为集中这部分能量可以做功。但如果我们打开阀门释放一些蒸汽,好增加实验室的湿度,那么从蒸汽而来的能量就分散了,除了提高房间和皮肤的湿度,无法将能量供应给其他东西,也就是说,能量因为分散,而无法做功。

热力学三大定律科普(难真难)(3)

测量每个分子的动能(运动)会是件令人头疼的工作,因此我们用温度来测量分子的“平均能量”,而不是——去测每个分子的能量。如果站在分子的层次看看这些蒸汽,就会发现有一大堆水分子以“之”字形的路径跑来跑去,互相碰撞。令人吃惊的部分在于:即使是处于某个稳定温度下的一缸蒸汽,各蒸汽分子的速度依然不尽相同。若把这些蒸汽分子的动能(和速度成正比)画成图,看起来就会和某个城市里所有人的智商( IQ )分布图很像:有一些跑得非常快,有一些跑得非常慢,还有一大堆速度普普通通的。

热力学三大定律科普(难真难)(4)

小结: 热力学第一定律和第二定律是科学界公认的宇宙普遍规律。

1.能量守恒定律是说,能量可以由一种 形式变为另一种形式,但其总量既不能增加也不会减少,是恒定的。二十世纪初爱因斯坦发现能量和质量可以互变后,此定律改为能质守恒定律。这个定律应用到热力学上,就是热力学第一定律。

热力学三大定律科普(难真难)(5)

2.热力学第二定律是描述热量的传递方向的:分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能;热能却不能完全转化为机械能,二者之间具有不可逆性。

机械能→热能┼→机械能

1)此定律的一种常用的表达方式是,每一个自发的物理或化学过程总是向着熵(entropy)增高的方向发展。

2)熵是一种不能转化为功的热能。而熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度, ①高、低温度各自集中时,熵值很低;

②温度均匀扩散时,熵值增高。

③物体有秩序时,熵值低;物体无序时,熵值便增高。

3)现在整个宇宙正在由有序趋于无序,由有规则趋于无规则,宇宙间熵的总量在增加。

热力学三大定律科普(难真难)(6)

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