热力学四大定律(热力学第二定律是什么)

18世纪，卡诺等科学家发现了机车、人体、太阳系、宇宙等系统中能量转化为“功”的四大定律。如果没有这四大定律的认识，很多工程技术和发明就不会诞生。

热力学四定律简述如下:

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)，那么它们彼此之间也一定处于热平衡。

热力学第一定律的表述——能量守恒定律的热形式。

热力学第二定律——一切机械能都可以转化为热能，但热能并不能通过有限次数的实验操作成功转化(热机不可用)。

热力学第三定律——绝对零度无法达到但可以无限接近。

法国物理学家尼古拉·伦纳德·萨迪·卡诺(1796 ~ 1823)

出生在巴黎。他的父亲l·卡诺是法国著名的数学家、将军和政治活动家。他在学术上很有成就，对卡诺影响很大。

卡诺处于蒸汽机快速发展和广泛应用的时代。看到从国外进口的蒸汽机，特别是英国制造的蒸汽机的性能远远超过自己国家生产的蒸汽机，他决心研究热机的效率。他找到了从理论层面研究热机工作原理的新途径。

为了获得普遍规律；1824年，他出版了他的名著《论火的力量和能启动这种力量的机器》

书中说，“为了以最普遍的形式来考虑生热运动的原理，我们必须抛开任何机制或任何特殊的工作介质来考虑，我们不仅必须建立蒸汽机的原理，而且必须建立所有假设的热机的原理，不管这种热机使用什么工作介质，也不管它们是如何操作的。”

卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以其创造性的想象力精心构思了理想热机，后被称为卡诺可逆热机(卡诺热机)，提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。

卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西:热机必须在两个热源之间工作，才能不断地将高温热源的热量转化为有用的机械功；明确了“热功率与用来实现功率的介质无关，功率的大小只取决于最终影响热元素传递的物体之间的温度”。指出热机工作在循环中的效率存在一个极限值，工作在可逆卡诺循环中的热机效率最高。实际上，卡诺的理论已经包含了热力学第二定律的基本思想。然而，由于热量理论的限制，他无法充分探索问题的内幕。

1832年8月24日，卡诺在巴黎死于霍乱，时年36岁。按照明朝的防疫条例，霍乱病人的遗物都会被烧掉。卡诺生前写的大量手稿被烧毁。幸运的是，他的弟弟保留了少量他的手稿，其中一份是21页的论文——关于适合表达水蒸气力量的公式的研究。其余的是卡诺在1824年至1826年间写的23篇论文。

后来随着热的力学等效的发现，卡诺的学术地位逐渐形成，其中热力学第一定律、能量守恒和转化定律、热力学第二定律相继被揭示。

热力学第一定律与能量守恒定律密切相关。

朱利叶斯·罗伯特·迈耶，德国物理学家和医生(1814 ~ 1878)

1840年2月至1841年2月，他作为一名船医航行到印度尼西亚。从其船员静脉血的不同颜色中，他发现体力和体热来自于食物中所含的化学能，并提出如果动物体力的输入和支出是平衡的，所有这些形式的能量都必须在量上守恒。他受到启发去探索热和机械功之间的关系。他把自己的发现写成了《论力的量和质的测量》，但他的观点缺乏精确的实验论证，论文未能发表(直到1881年去世才发表)。迈耶很快注意到这篇论文的缺陷，并努力进一步研究数学和物理。1842年发表论文《论无机性质的力》，表达了物理化学过程中各种力(能量)的转化和守恒的思想。迈耶是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热的力学当量的人。然而，这部发表于1842年的科学巨著在当时并没有受到重视。

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818 ~ 1889)，杰出的英国物理学家。

德国物理学家亥姆霍兹(1821~1894年)等人独立发现了能量守恒定律。

1843年8月21日，焦耳在英国科学协会数学小组会议上宣读了《论磁电的热效应和热的力学价值》一文，强调自然界中的能量是可以均等转换的，不会被破坏。机械能或电磁能消耗的地方，总是在一些地方。

为了获得足够的热量。焦耳花了近40年不知疲倦地研究和测量热的机械当量。他用不同的方法做了400多次实验，得出结论:热的机械当量是一个普适常数，与做功方式无关。他自己在1878年和1849年的测试结果是一样的。后来，人们认识到这一数值是427千克/米/大卡。由此可见，焦耳不愧为真正的实验大师。他的实验常数为能量守恒和转换定律提供了无可辩驳的证据。

1847年，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，首次系统阐述了能量守恒原理，从理论上将力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们运动形式的统一性。它们不仅可以相互转化，而且在量上也有一定的关系。能量的守恒和转化使得物理学在空之前是全面统一的。

将能量守恒定律应用于热力学，是热力学第一定律。

热力学第二定律是能量守恒定律建立后，在热力学宏观过程中得出的重要结论。

1834年，卡诺去世两年后，卡诺关于火的力量和能够启动这种力量的机器的著作有了第一个严肃的读者——贝努瓦·保罗·埃米尔·克拉佩隆(1799-1864)。他比卡诺低几级。他在学院出版的刊物上发表了题为《论热的力量》的论文，用P-V曲线翻译了卡诺循环，但并没有引起学术界的重视。

英国物理学家开尔文勋爵(1824-1907年)

我在法国学习的时候，偶尔读到克拉佩隆的一篇文章，才知道有卡诺热机理论。然而，他找遍了所有的图书馆和书店，却找不到卡诺1824年的论文。事实上，他根据克拉佩隆介绍的卡诺理论写的《基于卡诺热力学理论的绝对温标》一文，早在1848年就已经发表了。1849年，开尔文终于得到了期待已久的卡诺书。

1851年，开尔文从热力转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法。不可能从一个单一的热源获得热量，然后在没有任何其他影响的情况下把它变成有用功。或者说不可能用无生命的机器将物质的任何部分冷却到低于其周围最低温度的温度，从而获得机械功。

德国物理学家鲁道夫·朱利叶斯·艾曼纽·克劳修斯(1822-1888)从未得到卡诺的原著，只是通过克拉佩隆和开尔文的论文才熟悉了卡诺的理论。1850年，克劳修斯从传热学方向提出了热力学第二定律的表述:热量不能自发地、无代价地从低温物体传递到高温物体。他还首次提出了熵的概念。

英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831 ~ 1879)是经典电磁理论的创始人。但他兴趣广泛，聪明过人。他不仅是建立各种模型比较不同物理现象的专家，也是运用数学工具分析物理问题的大师。他还在热力学领域做出了贡献。1859年，他用统计方法推导出气体分子热平衡时的“mksw速率分布定律”。

1877年，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(1844 ~ 1906)发现了系统的宏观熵和热力学概率之间的关系。他为使科学界接受热力学理论，尤其是热力学第二定律做出了巨大贡献。

1906年，德国物理化学家瓦尔特·赫尔曼·能斯特(1864 ~ 1941)在研究低温现象的基础上，得出热力学第三定律，被称为“能斯特热定理”。有效地解决了平衡常数的计算问题和许多工业生产问题，因此他获得了1920年的诺贝尔化学奖。主要著作有:《新热定律的理论和实验基础》等。

德国物理学家马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(1858 ~ 1947)是量子物理学的开创者和奠基人。他早期的研究领域主要是热力学，博士论文是热力学第二定律。他在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出，各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。1911年，普朗克还提出了热力学第三定律的表述，即“随着温度趋近于零，任何等温可逆过程伴随的熵变也趋近于零”。

通常将热力学第一、第二定律作为热力学基本定律，但有时会加入能斯特定理作为第三定律，有时会将温度存在定律作为第零定律。

热力学第零定律作为系统测量的基本依据，其重要性在于它解释了温度的定义和测量方法。表述如下:

1.你可以通过让这两个系统接触，观察它们的性质是否发生了变化，来判断它们是否达到了平衡。

2.当外界条件不变时，达到热平衡状态的系统内部温度是均匀分布的，具有一定的恒温值。

3.所有相互平衡的系统都有相同的温度，所以一个系统的温度可以用另一个平衡系统的温度来表示；或者可以用第三系统的温度来表示。