《永动机》短文。800字左右。
直到热力学第一定律被发现,第一种永动机的神话才被打破。
热力学第一定律是热力学中能量守恒和转化定律的具体表达,表明热是物质运动的一种形式。这说明外界传递给物质系统的能量(热量)等于系统内能的增加与系统所做的功之和。它否认能量是无中生有的,所以第一种不用动力和燃料就能做功的永动机就成了天方夜谭。
热力学第一定律产生于:18年末19年初,随着蒸汽机在生产中的广泛应用,人们越来越重视热和功的转化。于是,热力学产生了。1798年,汤普森通过实验否定了热质的存在。德国医生和物理学家迈耶在1841?843年提出了热和机械运动相互转化的思想,这是热力学第一定律第一次提出。焦耳设计了测量热的电热当量和机械当量的实验,通过实验确定了热力学第一定律,补充了迈耶的论点。
热力学第一定律之后,人们开始考虑热能转化为功的效率。这时,有人设计了这样一种机器——它可以无限地从一个热源取热做功。这被称为第二种永动机。
1824年,法国陆军工程师卡诺构想了一种既不对外做功又没有摩擦的理想热机。通过研究这种热机中两个不同温度的热源之间的热和功的简单循环(卡诺循环),得出热机必须在两个热源之间做功,热机的效率只取决于与热源的温差。即使在理想状态下,热机的效率也不可能达到100%。即热量不能完全转化为功。
1850年,克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律以及卡诺原理,指出自动机器不可能将热量从低温物体毫无变化地转移到高温物体,这就是热力学第二定律。很快,开尔文提出,不可能从单一热源获取热量,使其完全有用而没有其他影响;或者说不可能用无生命的机器将物质的任何部分冷却到周围最低温度以下,从而获得机械功。这是热力学第二定律的开尔文表达式。奥斯特瓦尔德是这样表述的:第二种永动机是造不成功的。
克劳修斯在提出第二定律的同时,还提出了熵S=Q/T的概念,并将热力学第二定律表述为:在一个孤立的系统中,实际过程总是增加整个系统的熵。但在此之后,克劳修斯错误地将孤立系统的熵增定律推广到整个宇宙,认为在整个宇宙中,热量不断地从高温转向低温,直到某个时刻没有温差,宇宙的总熵达到一个最大值。这个时候就不会再有传递热量的动力了,这就是所谓的“热寂论”。
为了反驳“热寂论”,麦克斯韦想象了一个看不见的灵魂(麦克斯韦妖),它在一个盒子里的一个门边。它允许快速粒子通过门到达盒子的一边,允许慢速粒子通过门到达盒子的另一边。这样,过了一段时间,盒子两边就有温差了。麦克斯韦妖其实是一个耗散结构的原型。
1877年,玻尔兹曼发现了系统S=KlnQ的宏观熵与热力学几率的关系,其中k为玻尔兹曼常数。1906年,能斯特提出温度接近绝对零度T→0时△S/O = 0,即“能斯特热原理”。普朗克在能斯特研究的基础上指出,各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零(S 0 = 0),这是热力学第三定律。
热力学三定律统称为热力学基本定律。自此,热力学基础基本完成。