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能量守恒定律公式 热力学第一第二定律( 三 )


1851年 ， 爱尔兰物理学家开尔文也独立地给出了第二定律的另一种描述:不可能制造出具有循环作用的热机 ， 它从单一热源获取热量并将其转化为功而不引起其他变化 。根据卡诺定理 ， 功可以完全变成热 ， 但热不能完全做功(热机效率不能达到1) ， 从高温热源到低温热源总会伴随着散热损失 。第二类永动机通常被描述为“从单一热源吸收热量 ， 使其完全有用而不受任何其他影响的热机” ， 这显然与热力学第二定律相矛盾 。
热力学第一定律和第二定律的诞生彻底终结了第一类和第二类永动机 ， 但人们对美好生活的追求永远不会停止 。人们期望设计出一种没有无用损伤、热效率100%的永动机 ， 称为第三类永动机 。
从卡诺热机效率公式(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% 。然而 ， T2=0是不可能的 。根据状态方程(2) ， 当T等于0时 ， 要么P=0 ， 要么V=0 。事实上 ， 气体总是有一定的体积和压力 。绝对零度是物态方程的外推结果 ， 不是真实情况 。而绝对零度达不到热力学第三定律 ， 是第三类永动机的终结者 。
与第一和第二定律相比 ， 第三定律的提出要晚得多 ， 可能是在1906年至1912年由德国化学家瓦尔特·能斯特(1864-1941)提出的 。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几步内使等温线T=0” ， 也就是说 ， 不可能达到绝对零度 。后来 ， 马克斯·普朗克(1858-1947)给出了热力学第三定律的另一种表述:在内部平衡状态下 ， 所有纯结晶均质物质在绝对零度时的熵为0(普通热力学只关心熵的变化 ， 不关心熵的值) 。
简单来说 ， 第三定律可以由卡诺定律推导出来 ， 看似意义不大 ， 其实不然 。恩斯特定律为化学家根据测热来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低温下比热显著下降 ， 并大胆预言绝对零度时比热可能消失 ， 这为量子力学的发展提供了强大的推动力 。
第三种永动机不从力学角度考虑(太难了) 。一般认为 ， 理想摆在不受阻力的情况下 ， 是第三类永动机 。此外 ， 有人把“太阳-行星”系统和“原子-电子”系统视为第三类永动机 。也许它们与环境没有能量交换 ， 但这不一定是事实 。
上世纪90年代 ， 美国人在亚利桑那州的沙漠中进行了一项名为“生物圈2号”的实验 。该项目占地1.27公顷 。以北回归线与北回归线之间的生态系统为模型 ， 拥有热带雨林、稀树草原、海洋、沼泽、沙漠等五个野生动物群落 ， 以及集约农业区和居民区两个人工群落 。生物圈二号被构造成一个全封闭的系统 ， 设计有两个覆膜空的房间 ， 可以随着压力的变化而改变容积 ， 因此被称为生物圈二号的“肺” 。

图6生物圈2号
生物圈二号从1991年到1993年进行了两次实验 。不幸的是 ， 研究人员发现生物圈2号中氧气和二氧化碳的比例无法自行平衡 。水泥建筑也会影响正常的碳循环；此外 ， 物种多样性相对单一 ， 缺乏足够的分解者 ， 大部分动植物无法正常生长或繁殖 ， 灭绝速度快于预期 。经过广泛讨论 ， 确认“生物圈2号”实验失败 。
生物圈二号希望建立一个可以永远移动的封闭系统(这个系统也被认为是Tai 空 ， 建立封闭生物圈的先驱) 。这个系统可以自行循环 ， 是一个“热力系统” ， 转换效率100% 。也许生物圈二号恰恰违背了热力学第三定律 ， 最终导致了它的失败 。
回顾三种永动机的崩溃和热力学三定律 ， 或许可以得到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 ， 自然系统的演化是有方向的 ， 我们做什么都会产生永久的影响 。我们在做某些决定的时候 ， 一定要更加小心 ， 因为一旦做了相应的事情 ， 就无法回到原来的状态 。这大概就是我们常说的“世界上没有后悔药” 。也深刻地启示我们 ， 如果我们做的事情是符合社会价值观的 ， 是对社会和民族有益的 ， 其好处迟早会显现出来 ， 反之 ， 其坏处也迟早会影响到我们的生活 。


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