热力学三定律的发现具有的思想史意义

热力学三定律的发现具有的思想史意义
热力学三定律的发现具有的思想史意义

热力学三定律的发现具有的思想史意义
1、热力学第三定律的思想史意义
热力学三定律的发现具有重要的思想史意义.
我们知道,在热力学第二定律的各种表述中,克劳修斯突出了热机作功中热传导的不可逆性,而开尔文则强调了功和热的转化的不可逆性.但从本质上看,他们两人的表述都反映了一切自发过程中有用能量的耗散特性,即物质运动能量的变化总是朝着从利用效率较高的能量向利用效率较低的能量的方向进行；而在这种单方向的不可逆过程中熵总是增加的.根据玻尔兹曼（L.Boltzmann,1844～1906）对熵和热力学第二定律的几率解释,熵越大表示系统宏观的无序程度也越高.克劳西斯错误地把宇宙看作一个自给系统,认为宇宙的熵将趋向极大值从而最终达到热寂状态.这就是后来人们所批判的所谓“宇宙热寂说”.但是,无论如何不能否认,正是熵的概念和热力学第二定律最先把时间箭头带进了物理学,物理世界不再只是一个如牛顿力学所描绘的存在着的世界,而且是一个演化着的世界.这是对经典物理学及其机械自然观的叛逆.
热力学对近代科学传统的叛逆,还表现于它反对在经典物理学中占统治地位的“自然过程的可逆性”概念.克劳修斯指出,能量守恒原理的正确性无可怀疑,但如果以为它证实了宇宙是永恒的循环,那就走得太远了.热力学第二定律揭示了,方向相反的变化并不总是以等量出现,宇宙在一去不复返地总朝着一个方向发展.这是对康德宇宙循环论和拉普拉斯决定论的挑战.
应当指出,热力学第二定律仅仅从一个角度开始、而没有穷尽对自然界演化机制的探讨.当时和后世的学者们则从其他角度力图寻找不遵守热力学第二定律的自然过程及其演化机制.在物理学领域里,麦克斯韦（J.C.Maxwell,1831～1879）精心设计的“麦克斯韦妖”的理想实验是第一个违背热力学第二定律的过程,它告诉我们：与自发的随机过程不同,信息和选择行为会导致有序和组织化.在物理学领域之外,生物进化论则描绘了生物界日渐多样化、复杂化的演化史,在今天看来实际是表明有机界的时间箭头是指向有序的.20世纪生命热力学揭示出,生命有机体的熵也在不断增加,而克服熵增、摆脱无序、避免死亡的“惟一办法是从环境中不断地吸取负熵”.[1]
总之,不论对于个别天体还是对生命个体而言,归根结底熵增规律都是不可违抗的,除非它们尚属于远离平衡态的开放系统.20世纪以来,对有机界和无机界演化的共同物理机制的探讨,引发了耗散结构理论、协同论和超循环论的诞生,它们为演化物理学的建立奠定了重要基础.如今,人们不仅在自然科学领域,而且在社会科学领域也开始引进“熵”的概念,用以说明各种社会建制的紊乱程度及其克服方法.美国社会学家里夫金和霍华德题为《熵——一种新的世界观》的专著就建议用“熵”的观点来分析社会现象和处理社会问题.

热力学定律的发现及理论
化学反应不是一个孤立的变化过程，温度、压力、质量及催化剂都直接影响反应的方向和速度。
1901年，范霍夫因发现化学动力学定律和渗透压，提出了化学反应热力学动态平衡原理，获第一个化学奖。
1906年能斯特提出了热力学第三定律，认为通过任何有限个步骤都不可能达到绝对零度。这个理论在生产实践中得到广泛应用，因此获1920年化学奖。
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热力学定律的发现及理论
化学反应不是一个孤立的变化过程，温度、压力、质量及催化剂都直接影响反应的方向和速度。
1901年，范霍夫因发现化学动力学定律和渗透压，提出了化学反应热力学动态平衡原理，获第一个化学奖。
1906年能斯特提出了热力学第三定律，认为通过任何有限个步骤都不可能达到绝对零度。这个理论在生产实践中得到广泛应用，因此获1920年化学奖。
1931年翁萨格发表论文“不可逆过程的倒数关系”，阐明了关于不可逆反应过程中电压与热量之间的关系。对热力学理论作出了突破性贡献。这一重要发现放置了20年，后又重新被认识。1968年获化学奖。
1950年代，普利戈金提出了著名的耗散结构理论。1977年，他因此获化学奖。这一理论是当代热力学理论发展上具有重要意义的大事。它的影响涉及化学、物理、生物学等广泛领域，为我们理解生命过程等复杂现象提供了新的启示。
热力学第零定律
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。
定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。
热力学中以热平衡概念为基础对温度作出定义的定律。通常表述为：与第三个系统处于热平衡状态的两个
系统之间，必定处于热平衡状态。
热力学第一定律
基本内容：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。
普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。
表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ＝ΔU＝Q－A或Q＝ΔU＋A这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU＝Q－A＋Z。当然，上述ΔU、A、Q、Z均可正可负。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为
dQ＝dU＋dA因U是态函数，dU是全微分；Q、A是过程量，dQ和dA只表示微小量并非全微分，用符号d以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。
热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。
热力学第二定律
1、克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。
2、开尔文说法：不可能从单一热源吸取热使之完全变成功，而不发生其他变化。从单一热源吸热作功的循环热机称为第二类永动机，所以开尔文说法的意思是“第二类永动机无法实现”。
为什么没有永动机，就是因为有熵的原因。
TdS = dU+pdV und Qrev=TdS
熵及熵增原理
克劳修斯首次从宏观角度提出熵概念(S=Q/T)，而后波尔兹曼又从微观角度提出熵概念(S=klnW),其两者是相通的,近代的普里戈金提出了耗散结构理论,将熵理论中引进了熵流的概念,阐述了系统内如果流出的熵流(dSe)大于熵产生(dSi)时,可以导致系统内熵减少，即dS=dSi+ dSe<0，这种情形应称为相对熵减。但是，若把系统内外一并考察仍然服从熵增原理。
熵增原理最经典的表述是：“绝热系统的熵永不减少”，近代人们又把这个表述推广为“在孤立系统内，任何变化不可能导致熵的减少”。熵增原理如同能量守恒定律一样，要求每时每刻都成立。关于系统现在有四种说法，分别叫孤立、封闭、开放和绝热系统，孤立系统是指那些与外界环境既没有物质也没有能量交换的系统，或者是系统内部以及与之有联系的外部两者总和，封闭系统是指那些与外界环境有能量交换，但没有物质交换的系统，开放系统是指与外界既有能量又有物质交换的系统，而绝热系统是指既没有粒子交换也没有热能交换，但有非热能如电能、机械能等的交换。
[编辑本段]热力学第三定律
有各种不同的表达方式。对化学工作者来说，以普朗克（M.Planck,1858-1947,德）表述最为适用。它可表述为“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。”所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。据此，利用量热数据，就可计算出任意物质在各种状态（物态、温度、压力）的熵值。这样定出的纯物质的熵值称为量热熵或第三定律熵。此定律还可表达为“不可能利用有限的可逆操作使一物体冷却到热力学温度的零度。”此种表述可简称为“绝对零度不可能达到”原理
热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。第三定律只能应用于稳定平衡状态，因此也不能将物质看做是理想气体。绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。

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