趙媛媛

摘 要 在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)里，熱力學(xué)的發(fā)展取得了較大的進(jìn)步，熱力學(xué)的發(fā)展史也是人類認(rèn)識(shí)熱的本質(zhì)及運(yùn)用掌握的歷史，從最開始的模糊概念轉(zhuǎn)變成當(dāng)代一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、具有可靠性的學(xué)科。熱力學(xué)三大定律是宏觀的熱現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，也是研究熱現(xiàn)象的必備基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)社會(huì)的快速發(fā)展起到了不可泯滅的作用，本文就筆者自身對(duì)熱力學(xué)的理解，從正負(fù)溫度的基礎(chǔ)上對(duì)熱力學(xué)基本定律做一些淺析。

關(guān)鍵詞 正負(fù)溫度 熱力學(xué) 熱力學(xué)基本定律 分析

中圖分類號(hào)：O414.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Basic Law Analysis of Thermodynamics on the

Basis of the Positive and Negative Temperature

ZHAO Yuanyuan

（Huludao First Vocational and Technical School， Huludao， Liaoning 125000）

Abstract Inside the past more than a century， the development of thermodynamics has made great progress， but also the history of the thermodynamic nature of human understanding and application of heat grasp， from the beginning of the vague concept into a contemporary experimental basis， with discipline reliability. Three laws of thermodynamics is the theoretical basis of macroscopic thermal phenomena， but also the basic research necessary thermal phenomena， the rapid development of society as a whole can not be devoid played a role in this paper， the author's own understanding of thermodynamics， from basic positive and negative temperature the basic laws of thermodynamics， made some analysis.

Key words positive and negative temperature； thermodynamics； basic law of thermodynamics； analysis

熱現(xiàn)象是人類最早接觸的自然現(xiàn)象之一，早在幾千年前的遠(yuǎn)古時(shí)期，人類就已經(jīng)了解并知道用摩擦、爆炸等熱現(xiàn)象來(lái)達(dá)到生活的目的，中國(guó)四大發(fā)明中火藥的發(fā)明都是熱現(xiàn)象運(yùn)用，中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的五行說(shuō)及古希臘的四元素說(shuō)認(rèn)為火是自然界的一種獨(dú)立元素，火又與熱緊密聯(lián)系，在十八世紀(jì)前，這類說(shuō)法占據(jù)自然學(xué)科中占據(jù)主導(dǎo)性的地位，也就是說(shuō)普遍認(rèn)為熱是物質(zhì)組成的一種基本元素。

1 熱力學(xué)的發(fā)展歷史

溫度的定量測(cè)定在對(duì)熱現(xiàn)象研究中起到重要的作用，雖然在十七世紀(jì)，有些科學(xué)家對(duì)溫度的測(cè)量做出了一定的貢獻(xiàn)，但是由于沒有統(tǒng)一的測(cè)量溫度的基準(zhǔn)，以及正確的理論指導(dǎo)，在十七世紀(jì)并沒有真正的測(cè)量溫度的工具的出現(xiàn)，在十八世紀(jì)溫度學(xué)的重大突破，尤其是法論海脫的華氏溫度建立及Anders Celsius所創(chuàng)建的攝氏溫度的問世，十八世紀(jì)的伯拉客借助溫度計(jì)把熱量和溫度做出了明確的區(qū)分。隨著科學(xué)的發(fā)展，人類提出了新的疑問，就是熱的本質(zhì)到底是什么，早在十八世紀(jì)，當(dāng)時(shí)認(rèn)知能力有限，熱質(zhì)說(shuō)和熱運(yùn)動(dòng)說(shuō)經(jīng)歷了非常曲折的驗(yàn)證路程，直到十九世紀(jì)焦耳算出了熱量的數(shù)值并公布其研究成果，能量守恒的定律才真正得以確立，熱質(zhì)說(shuō)也因歷史的發(fā)展退出了歷史舞臺(tái)，熱的本質(zhì)也有了明確的結(jié)論，熱是一種微觀的運(yùn)動(dòng)和能量的一種轉(zhuǎn)換形式，并且是可以互相轉(zhuǎn)換的。

2 熱力學(xué)定律

熱力學(xué)的三個(gè)基本定律構(gòu)成熱力學(xué)的基礎(chǔ)。自然界的能量總值守恒是第一定律；第二定律指出能量的轉(zhuǎn)換單向性；第三定律表明不可能達(dá)到絕對(duì)零度。

2.1 正溫度下的熱力學(xué)基本定律

在一八四二年，英國(guó)物理學(xué)家Joule和德國(guó)的醫(yī)生Mayre所提出的熱力學(xué)第一定律使人們明確了熱量的概念，使得能量守恒的原理得到了更深入的認(rèn)識(shí)，在中國(guó)，物理學(xué)家認(rèn)為“一個(gè)系由外部吸收的熱能，其一部分使系的內(nèi)能增加，其余的則使該系作了功”，熱力學(xué)的第一定律也可以說(shuō)是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： E = Q+A，其中 E是系統(tǒng)內(nèi)能的改變，Q是吸放熱，A是做功。第一定律的一般表述為，自然界的一切物質(zhì)都具有其自身的能量，能量的轉(zhuǎn)換有著多種形式，彼此間可以互相轉(zhuǎn)化，能量可以在不同物質(zhì)之間傳遞，在傳遞或轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，它的數(shù)量總和是不變的。歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)永動(dòng)機(jī)的假想設(shè)計(jì)，不供給能量的同時(shí)又不斷地對(duì)外界做功的機(jī)器，這顯然是違背熱力學(xué)第一定律，所以說(shuō)這樣的永動(dòng)機(jī)是不可能存在的。

在一八五零年，德國(guó)物理學(xué)家Clausius給出了熱力學(xué)的第二定律，對(duì)第二定律的描述為：“對(duì)一個(gè)永動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，沒有任何外界作用時(shí)，不可能將熱從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)溫度較高的物體”，這也就是現(xiàn)在被大家熟知的熱力學(xué)第二定律，也就是熱傳導(dǎo)的不可逆性表述，在一八六五年Clausius再次提出了熵的概念，由熵的概念可以總結(jié)出自然界中支配過(guò)程發(fā)展的熵原理，其表面了自然界能量的變化方向。熱力學(xué)第二定律的表述方法有幾種，克勞修斯提出不可能使熱力從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他的變化，開爾文提出的表（下轉(zhuǎn)第45頁(yè)）（上接第38頁(yè)）述是，不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用的功而不引起其他變化，這些表述反映了一切涉及熱現(xiàn)象的實(shí)際過(guò)程都是不可逆的，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐證明，與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過(guò)程都是相關(guān)聯(lián)的，也都是不可逆的。也反映了功變?yōu)闊岬牟豢赡嫘?，在歷史中，也曾有過(guò)許多的假想設(shè)計(jì)，試圖制造效率為100%的永動(dòng)機(jī)，這也是違背客觀規(guī)律的，所以最后都以失敗告終。endprint

根據(jù)熱力學(xué)的第二定律可以得到Kelvin溫標(biāo)，所以人類又開始為實(shí)現(xiàn)低溫技術(shù)而做出了一系列的研究，二十世紀(jì)初，Nemst在低溫下的大量化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出一個(gè)成果，當(dāng)溫度越接近于絕對(duì)零度的時(shí)候，在等溫過(guò)程中，系統(tǒng)的熵不變，這就是Nemst理論，這一理論在后來(lái)被Simon用實(shí)驗(yàn)給予了科學(xué)的驗(yàn)證。所以第三定律表明，不可能通過(guò)有限的過(guò)程使溫度降到絕對(duì)零度。

2.2 負(fù)溫度下的熱力學(xué)基本定律

在正負(fù)溫度下熱和功的定義相同，所以在負(fù)溫度下第一定律依然適用，也就是說(shuō)在負(fù)溫度下能量也是守恒的。

在負(fù)溫度的狀態(tài)下，所謂的低溫物體就是絕對(duì)溫度的絕對(duì)值相對(duì)大的物體，而高溫物體就是絕對(duì)溫度的絕對(duì)值相對(duì)小的物體，熱力學(xué)第二定律表明的是不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，所以無(wú)論絕對(duì)溫度是正值或者負(fù)值，第二定律都成立，也就是說(shuō)在負(fù)溫度的情況下依然成立。

曾經(jīng)在核磁共振的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，核自旋系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)溫度的系統(tǒng)，但是并不能總這單一的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明熱力學(xué)第三定律的準(zhǔn)確性，粒子是有著多能級(jí)的能量，其狀態(tài)也存在基態(tài)和激發(fā)態(tài)，在一些特殊的情況下，激發(fā)態(tài)的粒子所占比例與基態(tài)粒子的比例相比，前者更多的情況下，就會(huì)出現(xiàn)負(fù)溫度系統(tǒng)，在正溫度時(shí)，只有溫度越高，越趨向于無(wú)窮大的時(shí)候、兩者所占比例才能越相等，按照這樣的推理，只有在溫度高于無(wú)窮大的時(shí)候，才有可能出現(xiàn)負(fù)的絕對(duì)零度，絕對(duì)溫標(biāo)的最低溫度仍是絕對(duì)零度。繼而證明了第三定律的表述仍然正確。

如果一個(gè)物體處于負(fù)溫度系統(tǒng)時(shí)，它的內(nèi)能肯定要比其在正溫度系統(tǒng)時(shí)的內(nèi)能要高，當(dāng)此溫態(tài)熱源系統(tǒng)與正溫態(tài)熱源系統(tǒng)相接觸時(shí)。會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從負(fù)溫態(tài)到正溫態(tài)，再到這兩個(gè)熱源系統(tǒng)熱態(tài)平衡，整個(gè)熱量的傳遞過(guò)程中，其途徑勢(shì)必是由負(fù)到正的傳遞過(guò)程，這時(shí)因?yàn)樨?fù)溫態(tài)的產(chǎn)生式由于粒子的發(fā)轉(zhuǎn)而生成的，而粒子的反轉(zhuǎn)又是有限制的，也就是說(shuō)，整個(gè)負(fù)溫態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不可能發(fā)生整體的負(fù)溫態(tài)熱運(yùn)動(dòng)，負(fù)溫態(tài)是不平衡的狀態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)負(fù)溫態(tài)的系統(tǒng)接觸到正溫態(tài)的系統(tǒng)的時(shí)候，就會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎貞B(tài)系統(tǒng)，所以任何的測(cè)量都會(huì)破壞負(fù)溫態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，如測(cè)量只會(huì)得到一個(gè)正溫態(tài)的數(shù)值，測(cè)量也就失去了意義。

3 結(jié)語(yǔ)

負(fù)溫態(tài)并沒有給熱力學(xué)定律帶來(lái)沖擊，熱力學(xué)的基本定律也不可能被違背，只是其中的某些表達(dá)形式必須要有一定的調(diào)整與改變，現(xiàn)有的對(duì)溫度的定義無(wú)法適用與負(fù)溫態(tài)的解釋，在忽視了這一點(diǎn)的前提下，按照正溫態(tài)的理解方式來(lái)詮釋負(fù)溫態(tài)下的熱力學(xué)定律，錯(cuò)誤的出現(xiàn)是不可避免的。在考慮了正、負(fù)溫態(tài)系統(tǒng)的前提下，熱力學(xué)定律的關(guān)系可以從、熱、熵、溫度、永動(dòng)機(jī)等幾個(gè)方面進(jìn)行探究，自然界中的總和能量值是定值，一個(gè)孤立的熵的總量在正溫度系統(tǒng)中是不斷增加的，而在負(fù)溫度系統(tǒng)下卻是不斷減少的，在絕對(duì)零度時(shí)，熵的值就變?yōu)榱恪?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 李復(fù)，高炳坤.熱力學(xué)第二定律理論體系的討論.大學(xué)物理，2008（4）.

[2] 賈愛平，陳永志.關(guān)于熱力學(xué)第二定律與熵的再思考.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（8）.

[3] 高貴軍.熱力學(xué)第二定律文字表述的應(yīng)用與熵函數(shù).張家口師專學(xué)報(bào)，2009（12）.

[4] 魏蔚，吳建琴，馬曉棟.關(guān)于熱力學(xué)第一定律的講述.新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（12）.

[5] 柳福提.熱力學(xué)第一定律的微觀闡釋.河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（12）.

[6] 殷中偉.熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律探析.承德民族師專學(xué)報(bào)，2009（5）.

[7] 黃長(zhǎng)華.熱力學(xué)定律與溫度、內(nèi)能、熵.白城師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（6）.

[8] 王冰峰，楊春香.熱力學(xué)發(fā)展史上奠基性的科學(xué)家克拉伯龍.物理教師，2009（1）.endprint