日本高清一区二区不卡,欧美日韩一区二区成人午夜电影 ,精品国品一二三产品区别在线观看

文章插圖
熱力學(xué)第一第二定律（能量守恒定律公式）
熱力學(xué)三大定律分別為能量守恒、熵增定律和絕對零度無法到達，人們對熱力學(xué)定律的認(rèn)識也是糾正永動機思想的過程，是人類“美好思想”不斷“碰壁”的過程，這些“碰壁”對于個人成長有著深刻的啟示意義。
永動機的想法最初起源于印度，大約公元1200年前后，經(jīng)由伊斯蘭教世界傳到了西方。歐洲最早的永動機方案是由法國亨內(nèi)考（Villardde Honnecourt，13世紀(jì)人，留存有他的素描本，共有250幅素描）提供的。
亨內(nèi)考想象有許多小球連接在一個有限位裝置的輪子上，當(dāng)小球在右側(cè)時小球遠(yuǎn)離輪心，產(chǎn)生較大的力矩；而當(dāng)小球到達左側(cè)時，連接桿靠近輪緣，產(chǎn)生小的力矩。亨內(nèi)考以此希望這個輪子可以在不輸入額外動力的情況下，永不停歇的運動。
圖1 亨內(nèi)考永動機 (a)素描（約1203年） (b)復(fù)原圖
這當(dāng)然是不可能的，因為小球在右側(cè)時力矩較大，但小球的分布是稀疏的，在左側(cè)時，雖然小球產(chǎn)生的力矩小，但比較密集，因此，總有使輪子達到平衡的狀態(tài)，這也意味著這個輪子并不會永久的運動下去。
文藝復(fù)興時期，著名的意大利藝術(shù)家達芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）也曾設(shè)計過一款永動機，如圖2所示。該永動機將輪子的輻條做成小球滾動的軌道，并通過曲線設(shè)計讓小球在其中滾動，如圖2b所示，輪子左側(cè)的小球遠(yuǎn)離輪心，產(chǎn)生大的力矩，右側(cè)的小球靠近輪心，產(chǎn)生小的力矩。本質(zhì)上達芬奇利用與亨內(nèi)考相同的原理，不過達芬奇經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)，輪子初始運動不久后就會停在某個地方，根本不可能實現(xiàn)永動。因此他在設(shè)計圖的旁邊寫下了一段文字：
"for everyaction there is an opposite and equal reaction"
對于任何運動，總存在反向、等大的反力。
這句話隱含的表達了永動機的不可能。牛頓第三定律表述為：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。達芬奇的標(biāo)注，似乎表明達芬奇在牛頓前近2個世紀(jì)已經(jīng)意識到了牛頓第三定律。
圖2 達芬奇永動機 (a)素描（約1203年） (b)復(fù)原
盡管達芬奇很早否定了永動機的想法，但人們對永動機的嘗試一直沒有停止過，甚至到現(xiàn)在還有各種各樣的永動機設(shè)計方案。
這類永動機代表了一種“不勞而獲”的想法，隨著熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)，這類永動機就被否決了。這期間，德國醫(yī)生邁爾（Julius Robert von Mayer,1814-1878），英國物理學(xué)家焦耳（James Prescott Joule,1818-1889），德國物理學(xué)家（Hermannvon Helmholtz，1821-1894）做出了關(guān)鍵性的貢獻。
圖3 熱力學(xué)第一定律創(chuàng)立者
邁爾是一位德國醫(yī)生，1840年，他作為隨船醫(yī)生到達印度尼西亞，有些船員因水土不服而生病。在德國常采用放血療法醫(yī)治水土不服，而放出的血通常為黑紅色，邁爾卻發(fā)現(xiàn)此時船員的血依然是鮮紅色的。從這一現(xiàn)象，邁爾想到了血液紅是由于富含氧，而氧在體內(nèi)維持燃燒產(chǎn)生熱。在印度尼西亞，由于氣溫高，人不需要太多的熱量，因此氧就被保留下來致使血液鮮紅。邁爾順著這條思路，一下打開了一扇他從未意識過的大門。邁爾想到肉和菜是身體熱量的物質(zhì)基礎(chǔ)，那肉和菜的熱量如何而來，邁爾又想到了光合作用。邁爾越想越多，從太陽能想到植物能、動物能、到人的食物、氧化反應(yīng)、人體熱量等等，最后歸結(jié)為一點：能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化。
邁爾返回歐洲后，不久撰寫了On the Quantitative and Qualitative Determination of Forces（1841年）（百度百科中譯為：論無機界的力，在德國力force有能量的意思），在該論文中邁爾提出了能量“無不生有，有不變無”、“原因等于結(jié)果”等重要思想，并用自己的方法測定了熱功當(dāng)量為365 (千克.米/千卡) 。要知道，在此之前，人們對于熱和燃燒等現(xiàn)象，還一直停留在熱質(zhì)說，能量轉(zhuǎn)換、守恒等思想很難被人們接收。邁爾將他的研究成果提交到《物理年鑒》（Annalen der Physik），但很快就被拒稿，并被人們嘲笑為瘋子。
與邁爾同時期的英國物理學(xué)家焦耳在這時也注意到了能量轉(zhuǎn)換，1843年，焦耳設(shè)計了巧妙的實驗較為精確的測定出了熱功當(dāng)量為428.9 (千克.米/千卡)，此后又分別于1845、1850年更加精確的測定了熱功當(dāng)量，焦耳的風(fēng)頭徹底蓋過了邁爾。
圖4 焦耳熱功當(dāng)量的測量
1847年，德國的另一位物理學(xué)家亥姆霍茲（早年從事醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的研究）發(fā)表了On theConservation of Force《論力的守恒》，在該文中主要提出了三個觀點：1. 一切科學(xué)都可以歸結(jié)為力學(xué)；2. 強調(diào)了力所傳遞的能量或它所作的功來量度力；3. 能量是守恒的。亥姆霍茲首次用數(shù)學(xué)化形式表述了在孤立系統(tǒng)中機械能的守恒，把能量的概念推廣到熱學(xué)、電磁學(xué)、天文學(xué)和生理學(xué)領(lǐng)域，提出能量的各種形式相互轉(zhuǎn)化和守恒的思想，這就是熱力學(xué)第一定律。根據(jù)這一定律，亥姆霍茲明確的提出由于能量具有守恒性，不能憑空產(chǎn)生，因此永動機的想法不可能實現(xiàn) 。
人們將違反熱力學(xué)第一定律的永動機稱為第一類永動機，以此來區(qū)別于后來那些不違反熱力學(xué)第一定律的其它永動機方案。如第二類永動機，人們承認(rèn)能量守恒，只是希望永動機的能由海洋、大氣乃至宇宙提供，在這些取之不盡的能源下實現(xiàn)永久運動。第二類永動機的想法最終被熱力學(xué)第二定律所否決。
在熱力學(xué)第一定律提出的時期，也是蒸汽機蓬勃發(fā)展的時期。然而人們對蒸汽機效率低下的問題卻一籌莫展。最初的紐卡門機按照燃料熱值計算，其效率只有0.5%，也就是說燃燒1000噸的煤，只有相當(dāng)于5噸的煤做了功，其余的995噸都白白浪費掉了。即便到了1840年，制造精良的冷凝式蒸汽機，其效率只有8%左右，這實在令人難以接受。這或許也是人們向往第二類永動機的原因所在。
歷史上第二類永動機的案例很少，19世紀(jì)70-80年代英國獸醫(yī)和發(fā)明家加吉（John Gamgee，1831-1894）設(shè)計出了第二類永動機的原型機，并成功說服了美國海軍總工程師和加菲爾德（Garfield）總統(tǒng)支持他的設(shè)計。加吉的設(shè)想是這樣：給輪船裝上一個大容量的液氨容器，然后利用周圍空氣的熱量使氨氣化，氨在膨脹后推動活塞做功，再讓氨氣通過與海水接觸的冷管道進行冷卻，使氨氣變?yōu)橐簯B(tài)的氨。整個循環(huán)不需要任何外部的燃料，僅依靠大氣和海水的熱源。
這個誘人的想法，從50年前卡諾的研究中就會被輕易的否定。1824年，法國被譽為“熱力學(xué)之父”的卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796-1832）發(fā)表了《關(guān)于火的動力》，提出了卡諾定理，他指出理想熱機的熱效率為
η=1-T2/T1 (1)
其中，η為熱機效率，T2表示低溫?zé)嵩矗琓1表示高溫?zé)嵩矗ń^對溫度）。這表明熱機效率依賴于低溫和高溫兩個熱源，溫差是熱機熱效率輸出的前提。對于加吉所設(shè)計的第二類永動機，液態(tài)氨變?yōu)闅怏w后，由于氨氣冷凝所需要的溫度為-33oC，僅通過海水是無法使其再變?yōu)橐喊钡?。也就是說加吉所謂的永動機，只能做一個沖程的運動，而無法產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)，隨著液氨的逐步氣化，加吉永動機必將最終走向停止。
卡諾去世46年后（1878年），他的論文被克拉貝?。˙enoit Pierre Emile Clapeyron, 1799-1864），開爾文（LordKelvin, 1824-1888），克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822－1888）等人重新關(guān)注。其中，克拉貝隆建立了理想氣體的狀態(tài)方程，
PV=nRT (2)
其中，P表示氣體壓強，V表示體積，n表示摩爾數(shù)，R為摩爾氣體常數(shù)，T為絕對溫度。還依據(jù)示功圖描述了卡諾循環(huán)，這為熱力學(xué)分析奠定了重要基礎(chǔ) 。
圖5 瓦特示功器。1800年瓦特發(fā)明了蒸汽示功器，其中的曲線即為氣體的P-V曲線，為克拉貝隆的研究提供了基礎(chǔ)（1834）
1850年，克拉貝隆的研究引起了克勞修斯的關(guān)注，克勞修斯指出卡諾定律如果成立必須滿足第二熱力學(xué)定律，即“不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化 ?！笨藙谛匏惯€引進了“熵”的概念 ?；\統(tǒng)的講，熵表征了熱力學(xué)系統(tǒng)分子運動的混亂程度：系統(tǒng)溫度越高，分子運動越混亂，熵值越高；相反，系統(tǒng)溫度低，分子相對有序的運動，熵值越低。由于熱只能從高溫物體傳向低溫物體，而不能從低溫物體自發(fā)的傳向高溫物體，因此系統(tǒng)在自發(fā)狀態(tài)下總是沿著溫度升高的方向發(fā)展，熱力學(xué)第二定律也被稱為熵增定律。
1851年，愛爾蘭物理學(xué)家開爾文也獨立的給出了第二定律的另一種描述：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。因為按照卡諾定理，功可以完全變成熱，而熱卻不能完全的產(chǎn)生功（熱機效率不可能達到1），總會伴隨著熱從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩春纳p失。第二類永動機通常描述為“旨在從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響的熱機”，顯然與熱力學(xué)第二定律相矛盾。
熱力學(xué)第一、第二定律的誕生徹底終結(jié)了第一、第二類永動機，但人們對美好生活的追求絕不會停止，人們又指望設(shè)計一種完全沒有無用損傷，熱效率可達100%的永動機，這被稱為第三類永動機。
從卡諾熱機效率的式(1)可以看出，當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩碩2等于絕對零度（-273oC）時，熱機效率可以達到100% 。但是T2=0是不可能的，根據(jù)狀態(tài)方程(2)可知，當(dāng)T等于0時，要么P=0，要么V=0，而實際上氣體總會有一定的體積和壓強，絕對零度是根據(jù)狀態(tài)方程的外推結(jié)果，并不是一種真實情況。而絕對零度不可能達到被稱為熱力學(xué)第三定律，是第三類永動機的終結(jié)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之間由德國化學(xué)家恩斯特（Walther Nernst，1864-1941）提出。恩斯特在1912年的一篇論文中寫道：“任何程序都不可能在有限的步驟中使等溫線T=0”，即絕對零度不可能達到。后來，普朗克（Max Planck，1858-1947）給出了熱力學(xué)第三定律的另一種表述：所有純晶體均質(zhì)材料在內(nèi)部平衡狀態(tài)下，其熵在絕對零度時都為0（在普通的熱力學(xué)中只關(guān)心熵的變化，并不關(guān)心熵的取值）。
簡單來看，第三定律可以從卡諾定律導(dǎo)出，似乎意義不大，其實不然。恩斯特定律的提出為化學(xué)家根據(jù)熱量測量確定化學(xué)反應(yīng)的自由能提供了依據(jù) 。此外，恩斯特在實驗中發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，比熱顯著下降，并大膽的預(yù)測了比熱可能會在絕對為零時消失，這對量子力學(xué)的發(fā)展提供了強有力的驅(qū)動力。
第三類永動機人們沒有從機械的角度來考慮（太難了），通常認(rèn)為理想單擺在不受阻力作用時，就是第三類永動機。此外，也有人將“太陽-行星”體系、“原子-電子”體系視為第三類永動機，或許它們沒有與環(huán)境的能量交換，不過這也不一定就是真理。
1990年代，美國人在亞利桑那州的沙漠里曾進行過一個稱為“生物圈2號”（Biosphere 2，美國人將地球本身命名為1號）的實驗，該項目占地1.27公頃，以地球北回歸線和南回歸線間的生態(tài)系統(tǒng)為樣板，設(shè)計有熱帶雨林、熱帶草原、海洋、沼澤、沙漠等5個野生生物群落和集約農(nóng)業(yè)區(qū)和居住區(qū)2個人工生物群落。生物圈2號，被構(gòu)造成一個全封閉系統(tǒng)，為了避免內(nèi)部壓力變化破壞玻璃窗板，生物圈2號設(shè)計兩個薄膜覆蓋的空間，它們可隨壓力改變體積，被稱為生物圈2號的“肺” 。
圖6 生物圈2號
生物圈2號共在1991至1993年進行了兩期實驗，遺憾的是，研究人員發(fā)現(xiàn)生物圈2號的氧氣與二氧化碳的大氣組成比例，無法自行達到平衡；水泥建筑物也會影響到正常的碳循環(huán)；此外，物種多樣性相對單一，缺少足夠分解者作用，多數(shù)動植物無法正常生長或生殖，其滅絕的速度比預(yù)期的還要快。經(jīng)廣泛討論，確認(rèn)“生物圈2號”實驗失敗。
生物圈2號希望構(gòu)建一個可永遠(yuǎn)運動的封閉系統(tǒng)（該系統(tǒng)也被視為在太空構(gòu)建封閉生物圈的先驅(qū)），該系統(tǒng)可自行循環(huán)，是一個轉(zhuǎn)化效率可達100%的“熱系統(tǒng)”，或許生物圈2號就是違背了熱力學(xué)第三定律，最終導(dǎo)致了它的失敗。
回顧三類永動機的破滅和熱力學(xué)三大定律，或許可以得出一些個人成長的啟示：在生活中只有付出才能得到回報，因為根據(jù)能量守恒，任何不勞而獲的想法都是徒勞的；
熱力學(xué)第二定律告訴我們自然系統(tǒng)的演化具有方向性，無論我們做什么，都會產(chǎn)生永久性的影響。在我們做出某些決定時，一定要加倍小心，因為一旦我們做了相應(yīng)的事情，就無法回到原狀，這大概就是我們常說的“世界上沒有后悔藥” 。這也深刻的啟示我們，如果所做的事是符合社會價值觀、對社會和民族有益的事情，它的益處遲早會表現(xiàn)出來，而做相反的事，它的壞處也遲早會影響到我們的生活；
熱力學(xué)第三定律告訴我們不要指望自己的付出會100%的得到回報，事事不盡如人意就是客觀規(guī)律，要學(xué)會與遺憾和平共處。大自然是如此的吝嗇，不過不要氣餒，正如生物圈2號，是大自然逼迫人們在相對封閉空間內(nèi)留出一扇通往外界的大門！
【熱力學(xué)第一第二定律能量守恒定律公式】

以上關(guān)于本文的內(nèi)容，僅作參考！溫馨提示：如遇健康、疾病相關(guān)的問題，請您及時就醫(yī)或請專業(yè)人士給予相關(guān)指導(dǎo)!

「愛刨根生活網(wǎng)」www.malaban59.cn小編還為您精選了以下內(nèi)容，希望對您有所幫助：

熱力學(xué)第一第二定律 能量守恒定律公式

熱力學(xué)第一第二定律能量守恒定律公式