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能量守恒定律公式 热力学第一第二定律( 二 )



图4焦耳热机械当量的测量
1847年 ， 另一位德国物理学家亥姆霍兹(早年从事医学和生物学研究)发表了《力的守恒》一书 ， 他在书中主要提出了三个观点:1 .所有的科学都可以归于力学；2.它强调力传递的能量或它所做的功来度量力；3.能量是守恒的 。亥姆霍兹第一次把孤立系统中机械能守恒用数学表达出来 ， 把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学领域 ， 提出了各种形式的能量相互转化和守恒的思想 ， 这就是热力学第一定律 。根据这一定律 ， 亥姆霍兹明确提出永动机的设想不能实现 ， 是因为能量守恒 ， 不能由空产生 。
人们把违反热力学第一定律的永动机称为第一类永动机 ， 以区别于后来其他不违反热力学第一定律的永动机方案 。比如第二种永动机 ， 人们承认能量守恒 ， 但只希望永动机能由海洋、大气甚至宇宙提供 ， 在这些取之不尽的能源下实现永动机 。第二种永动机的想法最终被热力学第二定律否决了 。
热力学第一定律提出的时期 ， 也是蒸汽机蓬勃发展的时期 。然而 ， 人们对蒸汽机的低效无能为力 。一开始纽卡门机的效率按燃料的热值计算只有0.5% ， 也就是说 ， 它烧了1000吨煤 ， 只有5吨煤做了功 ， 剩下的995吨白白浪费了 。即使在1840年 ， 一台制作精良的冷凝式蒸汽机的效率也只有8%左右 ， 实在让人难以接受 。也许这就是人们向往第二类永动机的原因 。
【能量守恒定律公式 热力学第一第二定律】历史上很少有第二类永动机的案例 。20世纪七八十年代 ， 英国兽医和发明家约翰·詹吉(1831-1894)设计了第二型永动机的样机 ， 并成功说服美国海军总工程师和加菲尔德总统支持他的设计 。贾姬的想法是这样的:在船上安装一个大容量的液氨容器 ， 然后利用周围空气体的热量制造氨气 。氨气膨胀后推动活塞做功 ， 然后通过与海水接触的冷管让氨气冷却 ， 使氨气变成液氨 。整个循环不需要任何外部燃料 ， 只依赖大气和海水的热源 。
这个诱人的想法从50年前卡诺的研究中就被轻易否定了 。1824年 ， 被誉为法国“热力学之父”的尼古拉斯·莱纳德·萨迪·卡诺特(1796-1832)发表了《论火的力量》 ， 提出了卡诺定理 。他指出 ， 理想热机的热效率是
η=1-T2/T1 (1)
其中η为热机效率 ， T2为低温热源 ， T1为高温热源(绝对温度) 。这说明热机的效率取决于低温和高温两个热源 ， 温差是热机热效率输出的前提 。对于Gaji设计的第二种永动机来说 ， 液氨变成气体后 ， 不能只靠海水变成液氨 ， 因为氨凝结所需的温度是-330C 。也就是说 ， Gaji所谓的永动机只能做一个冲程的运动 ， 而不能产生一个循环 。随着液氨的逐渐气化 ， 嘎吉永动机终将停止 。
卡诺去世46年后(1878年) ， 他的论文重新受到克拉佩隆(1799-1864年)、开尔文爵士(1824-1888年)、克劳修斯(1822-1888年)等人的关注 。其中 ， Clabellon建立了理想气体的状态方程 ， 
PV=nRT (2)
其中P代表气体压力 ， V代表体积 ， N代表摩尔数 ， R代表摩尔气体常数 ， T代表绝对温度 。卡诺循环也根据示功图进行了描述 ， 为热力学分析奠定了重要基础 。

图5瓦特指示器 。1800年 ， 瓦特发明了蒸汽指示器 ， 其中的曲线是气体的P-V曲线 ， 这为克拉贝隆(1834)的研究提供了基础 。
1850年 ， 克劳修斯引起了克劳修斯的注意 ， 他指出 ， 如果卡诺定律成立 ， 就必须满足热力学第二定律 ， 即“不可能将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化 。”克劳修斯还引入了“熵”的概念 。一般来说 ， 熵代表热力学系统中分子运动的混沌程度:系统温度越高 ， 分子运动越混沌 ， 熵值越高；相反 ， 系统温度越低 ， 分子运动越有序 ， 熵值越低 。因为热量只能从高温物体传递到低温物体 ， 而不能自发地从低温物体传递到高温物体 ， 所以系统总是在自发状态下沿着温度上升的方向发展 ， 热力学第二定律也叫熵增定律 。


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