从零开始做网站内容运营,wordpress网站标签logo,企业网站建设招标书,做a视频网站来源#xff1a;力学酒吧 撰文#xff1a;张伟伟热力学三大定律分别为能量守恒、熵增定律和绝对零度无法到达#xff0c;人们对热力学定律的认识也是纠正永动机思想的过程#xff0c;是人类“美好思想”不断“碰壁”的过程#xff0c;这些“碰壁”对于个人成长有着深刻的启… 来源力学酒吧 撰文张伟伟热力学三大定律分别为能量守恒、熵增定律和绝对零度无法到达人们对热力学定律的认识也是纠正永动机思想的过程是人类“美好思想”不断“碰壁”的过程这些“碰壁”对于个人成长有着深刻的启示意义。 永动机的想法最初起源于印度大约公元1200年前后经由伊斯兰教世界传到了西方。欧洲最早的永动机方案是由法国亨内考Villardde Honnecourt13世纪人留存有他的素描本共有250幅素描提供的。 亨内考想象有许多小球连接在一个有限位装置的轮子上当小球在右侧时小球远离轮心产生较大的力矩而当小球到达左侧时连接杆靠近轮缘产生小的力矩。亨内考以此希望这个轮子可以在不输入额外动力的情况下永不停歇的运动。图1 亨内考永动机 (a)素描约1203年 (b)复原图 这当然是不可能的因为小球在右侧时力矩较大但小球的分布是稀疏的在左侧时虽然小球产生的力矩小但比较密集因此总有使轮子达到平衡的状态这也意味着这个轮子并不会永久的运动下去。文艺复兴时期著名的意大利艺术家达芬奇Leonardo da Vinci1452-1519也曾设计过一款永动机如图2所示。该永动机将轮子的辐条做成小球滚动的轨道并通过曲线设计让小球在其中滚动如图2b所示轮子左侧的小球远离轮心产生大的力矩右侧的小球靠近轮心产生小的力矩。本质上达芬奇利用与亨内考相同的原理不过达芬奇经过试验后发现轮子初始运动不久后就会停在某个地方根本不可能实现永动。因此他在设计图的旁边写下了一段文字 for everyaction there is an opposite and equal reaction对于任何运动总存在反向、等大的反力。 这句话隐含的表达了永动机的不可能。牛顿第三定律表述为相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等方向相反作用在同一条直线上。达芬奇的标注似乎表明达芬奇在牛顿前近2个世纪已经意识到了牛顿第三定律。图2 达芬奇永动机 (a)素描约1203年 (b)复原 尽管达芬奇很早否定了永动机的想法但人们对永动机的尝试一直没有停止过甚至到现在还有各种各样的永动机设计方案。 这类永动机代表了一种“不劳而获”的想法随着热力学第一定律的发现这类永动机就被否决了。这期间德国医生迈尔Julius Robert von Mayer,1814-1878英国物理学家焦耳James Prescott Joule,1818-1889德国物理学家Hermannvon Helmholtz1821-1894做出了关键性的贡献。图3 热力学第一定律创立者 迈尔是一位德国医生1840年他作为随船医生到达印度尼西亚有些船员因水土不服而生病。在德国常采用放血疗法医治水土不服而放出的血通常为黑红色迈尔却发现此时船员的血依然是鲜红色的。从这一现象迈尔想到了血液红是由于富含氧而氧在体内维持燃烧产生热。在印度尼西亚由于气温高人不需要太多的热量因此氧就被保留下来致使血液鲜红。迈尔顺着这条思路一下打开了一扇他从未意识过的大门。迈尔想到肉和菜是身体热量的物质基础那肉和菜的热量如何而来迈尔又想到了光合作用。迈尔越想越多从太阳能想到植物能、动物能、到人的食物、氧化反应、人体热量等等最后归结为一点能量发生了转化。 迈尔返回欧洲后不久撰写了On the Quantitative and Qualitative Determination of Forces1841年百度百科中译为论无机界的力在德国力force有能量的意思在该论文中迈尔提出了能量“无不生有有不变无”、“原因等于结果”等重要思想并用自己的方法测定了热功当量为365 (千克.米/千卡) 。要知道在此之前人们对于热和燃烧等现象还一直停留在热质说能量转换、守恒等思想很难被人们接收。迈尔将他的研究成果提交到《物理年鉴》Annalen der Physik但很快就被拒稿并被人们嘲笑为疯子。 与迈尔同时期的英国物理学家焦耳在这时也注意到了能量转换1843年焦耳设计了巧妙的实验较为精确的测定出了热功当量为428.9 (千克.米/千卡)此后又分别于1845、1850年更加精确的测定了热功当量焦耳的风头彻底盖过了迈尔。图4 焦耳热功当量的测量 1847年德国的另一位物理学家亥姆霍兹早年从事医学、生物学的研究发表了On theConservation of Force《论力的守恒》在该文中主要提出了三个观点1. 一切科学都可以归结为力学2. 强调了力所传递的能量或它所作的功来量度力3. 能量是守恒的。亥姆霍兹首次用数学化形式表述了在孤立系统中机械能的守恒把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学领域提出能量的各种形式相互转化和守恒的思想这就是热力学第一定律。根据这一定律亥姆霍兹明确的提出由于能量具有守恒性不能凭空产生因此永动机的想法不可能实现。 人们将违反热力学第一定律的永动机称为第一类永动机以此来区别于后来那些不违反热力学第一定律的其它永动机方案。如第二类永动机人们承认能量守恒只是希望永动机的能由海洋、大气乃至宇宙提供在这些取之不尽的能源下实现永久运动。第二类永动机的想法最终被热力学第二定律所否决。 在热力学第一定律提出的时期也是蒸汽机蓬勃发展的时期。然而人们对蒸汽机效率低下的问题却一筹莫展。最初的纽卡门机按照燃料热值计算其效率只有0.5%也就是说燃烧1000吨的煤只有相当于5吨的煤做了功其余的995吨都白白浪费掉了。即便到了1840年制造精良的冷凝式蒸汽机其效率只有8%左右这实在令人难以接受。这或许也是人们向往第二类永动机的原因所在。 历史上第二类永动机的案例很少19世纪70-80年代英国兽医和发明家加吉John Gamgee1831-1894设计出了第二类永动机的原型机并成功说服了美国海军总工程师和加菲尔德Garfield总统支持他的设计。加吉的设想是这样给轮船装上一个大容量的液氨容器然后利用周围空气的热量使氨气化氨在膨胀后推动活塞做功再让氨气通过与海水接触的冷管道进行冷却使氨气变为液态的氨。整个循环不需要任何外部的燃料仅依靠大气和海水的热源。 这个诱人的想法从50年前卡诺的研究中就会被轻易的否定。1824年法国被誉为“热力学之父”的卡诺Nicolas Léonard Sadi Carnot1796-1832发表了《关于火的动力》提出了卡诺定理他指出理想热机的热效率为 η1-T2/T1 (1) 其中η为热机效率T2表示低温热源T1表示高温热源绝对温度。这表明热机效率依赖于低温和高温两个热源温差是热机热效率输出的前提。对于加吉所设计的第二类永动机液态氨变为气体后由于氨气冷凝所需要的温度为-33oC仅通过海水是无法使其再变为液氨的。也就是说加吉所谓的永动机只能做一个冲程的运动而无法产生循环往复随着液氨的逐步气化加吉永动机必将最终走向停止。 卡诺去世46年后1878年他的论文被克拉贝隆Benoit Pierre Emile Clapeyron, 1799-1864开尔文LordKelvin, 1824-1888克劳修斯Rudolf Julius Emanuel Clausius18221888等人重新关注。其中克拉贝隆建立了理想气体的状态方程 PVnRT (2) 其中P表示气体压强V表示体积n表示摩尔数R为摩尔气体常数T为绝对温度。还依据示功图描述了卡诺循环这为热力学分析奠定了重要基础。图5 瓦特示功器。1800年瓦特发明了蒸汽示功器其中的曲线即为气体的P-V曲线为克拉贝隆的研究提供了基础1834 1850年克拉贝隆的研究引起了克劳修斯的关注克劳修斯指出卡诺定律如果成立必须满足第二热力学定律即“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。”克劳修斯还引进了“熵”的概念。笼统的讲熵表征了热力学系统分子运动的混乱程度系统温度越高分子运动越混乱熵值越高相反系统温度低分子相对有序的运动熵值越低。由于热只能从高温物体传向低温物体而不能从低温物体自发的传向高温物体因此系统在自发状态下总是沿着温度升高的方向发展热力学第二定律也被称为熵增定律。 1851年爱尔兰物理学家开尔文也独立的给出了第二定律的另一种描述不可能制成一种循环动作的热机从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。因为按照卡诺定理功可以完全变成热而热却不能完全的产生功热机效率不可能达到1总会伴随着热从高温热源向低温热源耗散损失。第二类永动机通常描述为“旨在从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机”显然与热力学第二定律相矛盾。 热力学第一、第二定律的诞生彻底终结了第一、第二类永动机但人们对美好生活的追求绝不会停止人们又指望设计一种完全没有无用损伤热效率可达100%的永动机这被称为第三类永动机。 从卡诺热机效率的式(1)可以看出当低温热源T2等于绝对零度-273oC时热机效率可以达到100%。但是T20是不可能的根据状态方程(2)可知当T等于0时要么P0要么V0而实际上气体总会有一定的体积和压强绝对零度是根据状态方程的外推结果并不是一种真实情况。而绝对零度不可能达到被称为热力学第三定律是第三类永动机的终结者。 相比于第一、第二定律第三定律的提出要晚很多大概在1906-1912之间由德国化学家恩斯特Walther Nernst1864-1941提出。恩斯特在1912年的一篇论文中写道“任何程序都不可能在有限的步骤中使等温线T0”即绝对零度不可能达到。后来普朗克Max Planck1858-1947给出了热力学第三定律的另一种表述所有纯晶体均质材料在内部平衡状态下其熵在绝对零度时都为0在普通的热力学中只关心熵的变化并不关心熵的取值。 简单来看第三定律可以从卡诺定律导出似乎意义不大其实不然。恩斯特定律的提出为化学家根据热量测量确定化学反应的自由能提供了依据。此外恩斯特在实验中发现在低温条件下比热显着下降并大胆的预测了比热可能会在绝对为零时消失这对量子力学的发展提供了强有力的驱动力。 第三类永动机人们没有从机械的角度来考虑太难了通常认为理想单摆在不受阻力作用时就是第三类永动机。此外也有人将“太阳-行星”体系、“原子-电子”体系视为第三类永动机或许它们没有与环境的能量交换不过这也不一定就是真理。 1990年代美国人在亚利桑那州的沙漠里曾进行过一个称为“生物圈2号”Biosphere 2美国人将地球本身命名为1号的实验该项目占地1.27公顷以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板设计有热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠等5个野生生物群落和集约农业区和居住区2个人工生物群落。生物圈2号被构造成一个全封闭系统为了避免内部压力变化破坏玻璃窗板生物圈2号设计两个薄膜覆盖的空间它们可随压力改变体积被称为生物圈2号的“肺”。图6 生物圈2号 生物圈2号共在1991至1993年进行了两期实验遗憾的是研究人员发现生物圈2号的氧气与二氧化碳的大气组成比例无法自行达到平衡水泥建筑物也会影响到正常的碳循环此外物种多样性相对单一缺少足够分解者作用多数动植物无法正常生长或生殖其灭绝的速度比预期的还要快。经广泛讨论确认“生物圈2号”实验失败。 生物圈2号希望构建一个可永远运动的封闭系统该系统也被视为在太空构建封闭生物圈的先驱该系统可自行循环是一个转化效率可达100%的“热系统”或许生物圈2号就是违背了热力学第三定律最终导致了它的失败。 回顾三类永动机的破灭和热力学三大定律或许可以得出一些个人成长的启示在生活中只有付出才能得到回报因为根据能量守恒任何不劳而获的想法都是徒劳的 热力学第二定律告诉我们自然系统的演化具有方向性无论我们做什么都会产生永久性的影响。在我们做出某些决定时一定要加倍小心因为一旦我们做了相应的事情就无法回到原状这大概就是我们常说的“世界上没有后悔药”。这也深刻的启示我们如果所做的事是符合社会价值观、对社会和民族有益的事情它的益处迟早会表现出来而做相反的事它的坏处也迟早会影响到我们的生活 热力学第三定律告诉我们不要指望自己的付出会100%的得到回报事事不尽如人意就是客观规律要学会与遗憾和平共处。大自然是如此的吝啬不过不要气馁正如生物圈2号是大自然逼迫人们在相对封闭空间内留出一扇通往外界的大门 参考文献热力学第三定律.https://en.wikipedia.org/wiki/Third_law_of_thermodynamics第二类永动机.https://eandt.theiet.org/content/articles/2017/03/eccentric-engineer-the-perpetual-motion-machine-that-fooled-a-president/白静. 由迈尔的科学蒙难谈热力学第一定律教学中的潜科学分析[J]. 中国科教创新导刊, 2008, 000(017):136-136.永动机的历史https://www.lockhaven.edu/~dsimanek/museum/people/people.htm未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
