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熱力學(xué)三大定律與熵

閱讀:1030      發(fā)布時間:2020-4-16
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第1定律:能量是守恒的,可以互相轉(zhuǎn)化(比如機械能轉(zhuǎn)化為電能),而不會消失。
第2定律:然能量可以轉(zhuǎn)化,但是無法100%利用。在轉(zhuǎn)化過程中,總是有一部分能量會被浪費掉。成公式就是:能量的總和 = 有效能量 + 無效能量;

“有效能量”指的是,可以被利用的能量;”無效能量”指的是,無法再利用的能量,又稱為熵。所以,熵就是系統(tǒng)中的無效能量。

考慮到宇宙的能量總和是一個常量,而每一次能量轉(zhuǎn)化,必然有一部分”有效能量”變成”無效能量”(即”熵”),因此不難推論,有效能量越來越少,無效能量越來越多。直到有一天,所有的有效能量都變成無效能量,那時將不再有任何能量轉(zhuǎn)化,這就叫宇宙的”熱寂”(Heat Death)。所以,熱力學(xué)第二定律的一個重要推論就是:熵永遠在增加。

永動機:

不消耗能量而能永遠對外做功的機器,它違反了能量守恒定律,故稱為“第1類永動機”。 
在沒有溫度差的情況下,從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的機器,它違反了熱力學(xué)第2定律,故稱為“第二類永動機”
2. 為什么會出現(xiàn)熵?
熱力學(xué)第2定律只是定義了”熵”,沒有解釋”熵”的產(chǎn)生原因:為什么總是有一部分能量無法再利用?

1877年,奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)對”熵”做出了令人信服的解釋。

他認為,任何粒子的常態(tài)都是隨機運動,也就是”無序運動”,如果讓粒子呈現(xiàn)”有序化”,必須耗費能量。所以,能量可以被看作”有序化”的一種度量。熱力學(xué)第2定律實際上是說,當(dāng)一種形式的”有序化”轉(zhuǎn)化為另一種形式的”有序化”,必然伴隨產(chǎn)生某種”無序化”。一旦能量以”無序化”的形式存在,就無法再利用了,除非從外界輸入新的能量,讓無序狀態(tài)重新變成有序狀態(tài)。

“熵”就是”無序化”的度量??紤]到”無序化”代表著混亂(實質(zhì)是隨機運動),可以得到三個重要結(jié)論:

結(jié)論1:如果沒有外部能量輸入,封閉系統(tǒng)趨向越來越混亂(熵越來越大)。比如,如果房間無人打掃,不可能越來越干凈(有序化),只可能越來越亂(無序化)。

結(jié)論2:如果要讓一個系統(tǒng)變得更有序,必須有外部能量的輸入。

結(jié)論3:當(dāng)一個系統(tǒng)(或部分)變得更加有序,必然有另一個系統(tǒng)(或部分)變得更加無序,而且”無序”的增加程度將超過”有序”的增加程度。、

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