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熱力學(xué)三大定律與熵

閱讀:1226      發(fā)布時(shí)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能),而不會(huì)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(huì)被浪費(fèi)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(gè)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(shí)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(gè)重要推論就是:熵永遠(yuǎn)在增加,。

永動(dòng)機(jī):

不消耗能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器,,它違反了能量守恒定律,故稱為“第1類永動(dòng)機(jī)”,。 
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(jī)械能的機(jī)器,,它違反了熱力學(xué)第2定律,,故稱為“第二類永動(dòng)機(jī)”
2. 為什么會(huì)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(duì)”熵”做出了令人信服的解釋,。

他認(rèn)為,,任何粒子的常態(tài)都是隨機(jī)運(yùn)動(dòng),也就是”無序運(yùn)動(dòng)”,,如果讓粒子呈現(xiàn)”有序化”,,必須耗費(fèi)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(shí)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(shí)質(zhì)是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)),可以得到三個(gè)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(gè)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(gè)系統(tǒng)(或部分)變得更加有序,必然有另一個(gè)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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