是否应有热力学第四定律与第五定律

文化   2024-08-29 16:59   吉林  

人类的生产需求和探索未知事物的欲望是科学技术发展的动力。

热现象是人类最早广泛接触到的自然现象之一。18世纪初,对热机的巨大需求,使热学的发展得到积极的推动。在这之前,人们对热只有一些粗略的概念。

欲善其事,先利其器。

温度测量设备与标准的完善是热学发展的前提。1714年,华伦海特改良了水银温度计并确定华氏温标以后,热学走上了实验科学的道路。

随着实验的进展,一种简单解释实验结果的“热质说”理论就形成了,即热是一种名叫热质的流质。

与这一理论对立的学说是,热是一种运动的表现形式。最初提出热量与功相当的说法,是迈耶医生,他在1842年发表论文,提出能量守恒的理论,认为热是能量的一种形式,可以与机械能相互转化,并算出热的功当量。随后,在焦耳、亥姆霍兹等的推动下,学界公认能量守恒为自然界的规律,热力学第一定律确立。

卡诺于1824年已提出了卡诺定理与卡诺循环,指出热机必须工作于不同温度的热源之间,有温度差的地方才能产生动力,并提出了热机最高效率的概念,其在本质上已阐明了热力学第二定律的基本内容。(工程热力学 4版,沈维道童钧耕编)

1848年,开尔文根据卡诺定理,制定了绝对温标,并从热能转化为机械能的角度提出了热力学第二定律的开氏说法:不可能从单一热源吸热,使之完全变为有用的功而不产生其他影响。

克劳修斯则提出了克劳修斯不等式与熵增原理。并根据卡诺定理,在1850年,从热量传递方向性的角度提出了热力学第二定律的克氏说法:不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。(热力学 2版,王竹溪著)

吉布斯对克劳修斯提出的熵十分重视,并由熵提出了他命名的“流体热力学的基本方程”。(吉布斯和他对科学的贡献,杨建邺著)

吉布斯还证明,对于同一工质的两个不同的相α和β组成的孤立系,当系统处于平衡时,其两相需具有相同的温度、压力和化学势。 

1912年,能斯特又补充了一个关于低温现象的定律,称为热力学第三定律。描述为:绝对温度零开不可能达到

压力与温度同为强度量,且都是描述工质性质的重要参数。与有温度差的地方才能产生动力”相对应的说法:“有压力差的地方才能产生动力”也是同样成立的。在不平衡条件下,自然过程表现出的方向性或不可逆性中,如果说有限温差传热体现的是因温度差而造成的不可逆性,那么工质的自由膨胀则体现着因压力差而造成的不可逆性。

热功转换的设备都要通过在设备内工质状态变化来实现,工程热力学用极大的篇幅去研究工质的性质,离开工质性质的研究,热力学就失去了存在的基础。(高等工程热力学,陈则韶编著)

在压力测量与标准方面,1643年,托里拆利首先测定了标准的大气压力值为760毫米汞柱,奠定了压力测量的基础。

压力对能量转化效率的提升,则更多地体现在内燃机的开发过程中。1838年,巴讷特提出在点火之前压缩混合气有利于提高热效率的观点,并开始研究压缩式发动机,但未能实用化。1861年,密理蒽等发表学术论文,强调了压缩过程的效果。

1862年德罗夏立志要“站在瓦特的肩膀上”,彻底改正内燃机的缺点,并指出:高效率的内燃机必须具备两个必要条件:第一是点火前高压,第二是燃料燃烧后迅速膨胀,达到最大膨胀比。德罗夏提出了提高内燃机热效率的具体设想,把活塞运动分成四个冲程:即由进气、压缩、燃烧做功、排气四个冲程构成的工作循环。

随后,奥拓对这个方案反复研究,并认定:“这是一个天才的设想”,并于1862年制造出一台四冲程样机(但实用化过程中遇到了点火装置方面的困难)。随后,经过改进,于1876年创建由四个冲程构成一个工作循环的奥拓循环。发动机最初的压缩比为2.5左右,热效率仅为10%~12%

内燃机另一代表—柴油机,则由狄塞尔针对汽油机热效率低等问题,从热力学角度,企图“实现卡诺循环的梦想”中发明的。从理论到现实发动机的开发研究过程中,狄塞尔通过实际发动机中存在的损失,认识到卡诺循环的热效率仅仅是理论上的,因为它只取决于温度,但对实际发动机而言,并非最高温度,而是最高压力起决定性作用。(发动机原理 2版,林学东编著)

热力学作为一门学科,不能只停留在实践经验的认识上,而要把感性经验上升为抽象的概念,总结出规律,并借用有关的数学知识进行严密的逻辑推理,导出对热功转换实践有指导意义的结论。对热力学的定律,用数学公式进行总结与对称性拓展,可表示为:

温度和压力都是描述工质性质的重要参数,具有同等重要的位置。但严格意义上讲,目前的热力学第二定律和热力学第三定律,只是在描述热(温度)相关的规律,并没有对体积功(压力)相关的规律进行总结。结合前人经验,如果要总结描述工质体积功特征的规律(热力学第四定律)和压力极限的规律(热力学第五定律),是否可表示为:

不可能从单一工质源输出体积功,使之完全变为有用的功而不产生其他影响。(或不可能把工质从低压侧输送到高压侧而不引起其他变化。亦或有压差的地方才能产生动力。

绝对压力零帕不可能达到。

最后,再上张图:


Cosmos and Us
物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
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