2022-2023学年高二物理竞赛课件：热力学基本定律与永动机

热力学基本定律与永动机 LOGO www.themegallery.com LOGO 热力学基本定律与永动机 热力学第一定律 热力学第一定律的产生是这样的：在十八世纪末十九世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。 1798年，汤普生通过实验否定了热质的存在。德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。 焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。 2 www.themegallery.com LOGO 热力学第二定律 在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时，又有人想设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。这被称为第二类永动机。 1824年，法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环（即卡诺循环）的研究，得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决与热源的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100％。即热量不能完全转化为功。 3 www.themegallery.com LOGO 热力学第二定律 1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律的“克劳修斯表述”。不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。 4 www.themegallery.com LOGO 热力学第三定律 在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后，克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移，此即“热寂论”。 5 www.themegallery.com LOGO 热力学第三定律 为了批驳“热寂论”，麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵（麦克斯韦小妖），它处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样，一段时间后，盒子两边产生温差。麦克斯韦妖其实就是耗散结构的一个雏形。 1877年，玻尔兹曼发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系S=klnQ，其中k为玻尔兹曼常数。1906年，能斯特提出当温度趋近于绝对零度时，△Q/T=0，即“能斯特原理”。普朗克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，熵为零（S0=0），这就是热力学第三定律。 6 www.themegallery.com LOGO 永动机骗局 十九世纪末，在美国发生了一起最大的骗局。骗子是约翰·维勒尔·基利（1837-1898年），他宣称发明了一种“发电机与电动机组合”，这种机械与众不同，不是凭空制造能量，而是用最普通的水作能源，先利用“共振”的方法使水分解为氢和氧，氢和氧再结合起来，就能发出巨大的能量。基利没有受过多少教育，但善于花言巧语，编造出新名词术语到处游说，宣扬自己的伟大“发明”，居然鼓动了十多位工程师和资本家集资一万美元给他搞开发。 1872年，基利永动机开发公司挂牌成立。 基利用这笔投资在费城买了房屋、各种机械和零部件，然后关起门来装配他的“永动机”。 7 www.themegallery.com LOGO 永动机骗局 1874年，基利举行了剪彩仪式，请来费城的社会名流和新闻界的人物。在众目睽睽下，基利向机器的一个口灌了一些水，然后机器就开动起来，粗绳子被拉断了，铁棒被击弯了，射出的子弹穿过厚厚的木板……一位出席者当众报告说：仪表上指示的压力大到每平方英寸5万磅！这时基利拿出准备好的鉴定书，请官员们和社会名流在上面签字。眼见这神奇的表演，大家都信服而愉快地签了字。 基利在热烈的掌声中大夸海口：“给我1夸脱（约0.95升）水，我就能把一列火车从费城开到纽约！”基利的表演“成功”了，报纸上大肆宣扬，又有官员和名人签署的鉴定书，基利永动机开发公司身价大增。 8 www.themegallery.com LOGO 永动机骗局 基利宣称下一步将开发生产商业性的实用机械，并决定扩股。于是，投资很快增到百万美元，股东们希望能从中得到更多的利润。 然