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科学家故事:克劳修斯提出热力学第二定律

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2023-08-29

时间:公元1850年。

鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822年1月2日-1888年8月24日),德国物理学家和数学家,热力学的主要奠基人之一。生于普鲁士的克斯林(今波兰科沙林),卒于波恩。

克劳修斯提出热力学第二定律 

克劳修斯重新陈述了尼古拉·卡诺的定律(又被称为卡诺循环),把热理论推至一个更真实更健全的基础。他最重要的论文于1850年发表,该论文是关于热的力学理论的,其中首次明确指出热力学第二定律的基本概念。他还于1865年引进了熵的概念。

克劳修斯熵公式 

克劳修斯主要从事分子物理、热力学、蒸汽机理论、理论力学、数学等方面的研究,特别是在热力学理论、气体动理论方面建树卓著。他是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。1850年与兰金(Zquorn Rankine,1820~1872)各自独立地表述了热与机械功的普遍关系——热力学第一定律,并且提出蒸汽机的理想的热力学循环(兰金-克劳修斯循环)。1850年克劳修斯发表《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》的论文。他从热是运动的观点对热机的工作过程进行了新的研究。论文首先从焦耳确立的热功当量出发,将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律,指出在热机作功的过程中一部分热量被消耗了,另一部分热量从热物体传到了冷物体。这两部分热量和所产生的功之间存在关系。论文的第二部分,在卡诺定理的基础上研究了能量的转换和传递方向问题,提出了热力学第二定律的最著名的表述形式(克劳修斯表述):热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体。因此克劳修斯是热力学第二定律的两个主要奠基人(另一个是开尔文)之一。

在发现热力学第二定律的基础上,人们期望找到一个物理量,以建立一个普适的判据来判断自发过程的进行方向。克劳修斯首先找到了这样的物理量。1854年他发表《力学的热理论的第二定律的另一种形式》的论文,给出了可逆循环过程中热力学第二定律的数学表示形式,而引入了一个新的后来定名为熵的态参量。1865年他发表《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》的论文,把这一新的态参量正式定名为熵。并将上述积分推广到更一般的循环过程,得出热力学第二定律的数学表示形式:克劳修斯不等式。利用熵这个新函数,克劳修斯证明了任何孤立系统中,系统的熵的总和永远不会减少,或者说自然界的自发过程是朝着熵增加的方向进行的。这就是“熵增加原理”,它是利用熵的概念所表述的热力学第二定律。后来克劳修斯不恰当地把热力学第二定律推广到整个宇宙,提出所谓“热寂说”。

作为热力学理论的奠基人,克劳修斯一生的成就远不止于此,他在许多方面都取得了令人瞩目的研究成果,尤其在气体分子运动论方面,人们也习惯性地把他和麦克斯韦、玻耳兹曼一起称为分子运动论的奠基人。

Tags:克劳修斯,热力学,热力学第二定律,科学家故事  
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