高中物理竞赛科普版物理学史热力学篇3热力学第二定律等共16张PPT.ppt

2020高中物理竞赛（科普版）有趣的物理学史第三节 热力学第二定律的建立 § 一、卡诺的热机理论 §法国年青的工程师萨迪·卡诺（公元1796－1832）首先以普遍理论的形式，研究了“由热得到运动的原理”§1824年，卡诺发表了《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》这一论文，总结了他的研究成果一、卡诺的热机理论§当时卡诺还信奉热质说，他认为蒸汽机的工作过程总要伴随热质的流动和重新分布他把蒸汽机和原动机水车相比，得出了一个正确结论：“蒸汽机至少必须工作于一个高温热源和一个低温热源之间热机的效率仅仅取决于温度差，而与采用什么工作物质无关”§卡诺根据热质守恒的思想和永动机不可能制成的原理，进一步证明了这样一个结论：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机其效率不会大于在同样热源之间工作的可逆卡诺热机的效率一、卡诺的热机理论§卡诺所构思的理想热机，虽然不可能造出来，但它却揭示了热机中热向机械运动转化的本质过程他的热机理论已经包含了热力学第二定律的基本思想，只是由于受热质说的影响，使他未能彻底认清这一工作的意义§直到1834年，法国工程师克拉贝龙（公元1799—1864）的重新研究，才使卡诺的热机理论被人们所重视 。

二、热力学温标的建立 §英国著名物理学家汤姆逊（公元1824一1907，即开尔文勋爵）提出了一种热力学温标§1848年，在《建立在卡诺热之动力论基础上和由雷诺的观察结果计算出来的一种绝对温标》的论文中指出，“按照卡诺所确定的动力与热之间的关系，在由热的作用得到的机械功的数量关系中，只包括热量和温度间隔的因素；又因为我们有独立的测量热量的方法，所以就为我们提供了温度间隔的一个量度，根据它可以确定绝对的温度差热力学温标每一度都有同样的数值，它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质，这种温标称为绝对温标  三、热力学第二定律的表述 §1850年，德国物理学家克劳修斯（公元1822—1888）在《论热的动力和由此得出的热力学理论的普遍规律》论文中指出了，为证明在同样高温热源和低温热源之间工作的一切热机都不可能高于可逆卡诺热机的效率，只需依靠热的一个一般特性就可以了，这个特性是：“热总是表现出这样的趋势：它总要从较热的物体转移到较冷的物体，使存在的温度差消失而趋于平衡今天把它说成热不能自动地由低温物体转移到高温物体上去这就是热力学第二定律的克劳修斯表述三、热力学第二定律的表述§汤姆逊对热力学第二定律的研究几乎与克劳修斯是同时进行的。

1851年，他以《论热的动力理论》为总题目发表了三篇论文§命题1（焦耳）：当不论借助于什么方法从纯粹的热源得到等量的机械效应，或有等量的机械效应变成纯粹的热效应而消失，则有等量的热消失或产生出来§命题2（卡诺与克劳修斯）：如果有这样一部机器，当它反过来运转时，它的每一部分的物理的和力学的动作全部逆转过来，那么，它将象具有相同温度的热源和冷凝器的任何热机一样，由一定量的热产生同样多的机械效应三、热力学第二定律的表述§汤姆逊接着说：“第二个命题建立在下面公理之上，利用无生命物质的作用，把物体的任何部分冷却到比它周围最冷的客体温度以下，以产生机械效应，这是不可能的这就是热力学第二定律的汤姆逊的原始表述后来表述为：“从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响是不可能的也可表述为：第二类永动机不可能制成 四、熵的增加原理 §克劳修斯证明了，任何孤立系统，它的熵的总和永远不会减少，或者说自然界里的一切自发过程，总是沿着熵不减小的方向进行的，这就是“熵增加原理”，它是利用熵的概念来表示热力学第二定律的 五、“热寂说”的错误 §汤姆逊和克劳修斯把熵的增加原理外推到整个宇宙，得出了宇宙热寂的结论。

1852年，汤姆逊从他所提出的原理得出结论说：在自然界中占统治地位的趋向是其他能量转变为热并使处处温度趋于平衡，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热死的状态克劳修斯也提出：“如果在宇宙发生的全部状态变化中，沿一个方向在量上总是超过沿反方向变化，因而宇宙必定不断地趋于一个终态他把热力学的两个基本定律概括为：“宇宙的能量恒定不变，宇宙的熵趋于一个极大值” 五、“热寂说”的错误§熵的增加原理的绝对普适性引起了异议格林、兰金、普列斯顿等人列举了一些似乎与克劳修斯原理相矛盾的例子指出，第二定律的绝对适用性意味着从实质上消灭了第一定律，因为不能转化的能量就不是能量恩格斯也指出，“热寂说”违反运动原理，违反能量形式在质上和在量上守恒的规律§宇宙热寂说的错误在于，把有限的时空问题不合理地外推到无限的宇宙中去，犯了形而上学的错误 第四节 热力学第三定律的建立与低温物理的发展 § 一、气体的液化与低温的获得 §十九世纪二十和三十年代，通过法拉第等人的工作，当时已知的气体中除了氢，氧，氮等六种气体以外，全部能够液化而液化这六种气体的一切试验的失败，使得它们获得了“永久气体”的名称§1869年，英国化学家和物理学家安德鲁斯（公元1813—1885）发现，二氧化碳气体存在着一个临界温度（ T＝ 31.1C），在临界温度以上，无论加多大压力也不能使它液化。

一、气体的液化与低温的获得 §各种低温技术，基本上都是采用下述方法实现的：§1．使气体对外做功从而降低温度；§2．已被液化的气体的液相，在迅速蒸发时产生冷却作用；§3．“焦耳—汤姆逊效应”：充分预冷的高压实际气体，通过多孔塞后在低压空间热膨胀后，一般要发生温度变化利用焦耳—汤姆逊的正效应，即温度降低，可以产生冷却作用，这是焦耳和汤姆逊于1852年发现的 二、热力学第三定律的提出 §向愈来愈低的温度逼近，虽然越来越困难，但总是可能的那么是否存在降低温度的极限呢？1848年，汤姆逊在利用卡诺循环确立绝对热力学温标时，就提出绝对零度是温度下限的观点1906年，德国的物理学家能斯特（公元1864—1941）把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现一个新的规律，表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚前的熵在等温过程中的改变趋于零1912年，他又把这一规律表述为绝对零度不能达到的原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度这就是热力学第三定律  三、向超低温领域跃进 §1951年，伦敦（公元1907—1970）根据He和He这两种液氦同位素不能以任何比例均匀混合的现象提出，如果用一真空系统使He不停地循环，就能在低温下吸收热量而导致进一步降温。

1975年，利用这种方法巳达到了0.003K的低温§1973年，利用波默朗丘克冷却已获得低于0.001K的温度§目前最低的温度是利用核磁矩绝热去磁的方法得到的1956年，牛津大学的库尔提（1908一）和西蒙等人把铜核自旋温度降到0．0000IK近年来已达到了近年来已达到了3．3 X 10K的低温 3．3 X 10K的低温 谢谢观看！。