开尔文-普朗克叙述

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简介

在热力学中，我们研究各种定律来理解从能源或储库获取能量、执行工作并产生输出的系统的机制和输出。为了以非常简单和正确的方式描述完整的活动，热力学主要有三个定律。其中热力学第二定律非常重要。热力学第二定律有两个部分，或者我们可以说有两个表述：开尔文-普朗克叙述和克劳修斯叙述。本文的重点是开尔文-普朗克叙述。

简单来说，开尔文-普朗克叙述表明，人类无法制造出效率为 100% 的引擎，这意味着如果我们从源头向引擎提供一定量的输入，它就不能将所有输入转换为输出，一些能量会转化为不需要的噪声、热量损失等。

什么是热力学？

如果我们将“热力学”这个词分成两部分，我们可以很容易地预测这个主题将基于“热”和“动力学”。因此，讨论将基于热的运动或由热引起的运动。

热力学是科学的一个分支，我们研究热和功之间的关系。在这里，我们还学习了一种形式的能量如何转化为机械功，并对热和温度的概念进行重要的可视化。

这个物理学分支为我们提供了了解热转化为功和功转化为热的循环的思路。为了了解任何大体系统中这两种能量之间的转换，我们还使用一些术语，例如压力、温度、质量、体积等。

热力学第一定律

为了找出热和机械功之间的关系，科学家提出了许多热力学定律。这里我们将解释热力学第一定律。

根据热力学第一定律，如果我们向正在工作或能够执行工作的系统提供未知量的热能，则该能量的总量将是该系统内能变化量和系统对周围环境所做的外部功之和。

假设我们向一个系统提供 $\mathrm{\Delta Q}$ 能量。我们注意到它们的内能变化为 $\mathrm{\Delta U}$，并且系统还做了 $\mathrm{\Delta W}$ 的外部功。然后，根据热力学第一定律，给定能量的表达式为

$\mathrm{\Delta Q=\Delta U+\Delta W}$

为了简化上述方程，我们知道

$\mathrm{功= 力 \times 距离}$

这里，力是压力和面积的乘积。

因此，

$\mathrm{W= p \times A \times x}$

$\mathrm{W= p \times v}$

$\mathrm{\Delta W= p\Delta V}$

使用此方程，

$\mathrm{\Delta Q=\Delta U+p\Delta V}$

热力学第二定律

由于热力学有很多变量，因此热力学第一定律提供的解释在某些方面有些不一致，无法对某些点给出有意义的理由。这导致了热力学第二定律的产生。热力学第二定律可以用两种说法来表述。

• 开尔文-普朗克叙述：这是两位科学家开尔文勋爵和普朗克提出的结果和理论的结合。这个叙述也被称为热机叙述。

  根据这个叙述，不可能制造出效率为 100% 的引擎。没有现有的引擎，将来也不会出现，能够将全部输入转换为功，而无需将能量用于任何其他效应，如噪声等。

  因此，如果工作的引擎从源头获取热量，则它不能将全部热量转换为功，而必须将一部分热量排放到水槽中。

• 克劳修斯叙述：这有点类似于水位或水位的概念。根据这个叙述，没有人能够将热量从较低温度传递到较高温度。这条定律适用于我们的冰箱。我们必须使用外部能源来冷却任何物体。

开尔文-普朗克叙述的等价性

在热力学第二定律中，有两个叙述，这两个叙述彼此等价。这种等价性表明，违反一个叙述也会导致违反第二个叙述，反之亦然。我们可以使用下图来展示这种关系。

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图 1：使用热机违反克劳修斯叙述

在上图中，我们有一个克劳修斯违反者，它执行虚假操作并将热量 $\mathrm{Q_1}$ 从冷储库发送到热储库 $\mathrm{Q_2}$。这里，$\mathrm{Q_1}$ 和 $\mathrm{Q_2}$ 都相等。因此，实际上这是不可能的，因此系统违反了克劳修斯叙述。

在这里，我们可以看到另一个系统也与克劳修斯违反者并行工作。这个热机从位于 $\mathrm{T_2}$ 的储库获取输入。热机获得的热量等于克劳修斯违反者发送的热量。因此，我们可以移除位于 $\mathrm{T_2}$ 的储库。

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图 2：使用可逆热机违反克劳修斯叙述

因此，热机可以直接从克劳修斯违反者获取热量，这意味着热机在一个储库中工作。这是不可能的。如果热机在一个储库中工作，则违反了开尔文-普朗克叙述。

开尔文-普朗克叙述的结果

热力学第二定律非常重要，并具有以下结果。

• 根据开尔文-普朗克叙述，热机的效率不能为 1。这是一种理想状态，在实践中无法实现。

• 此外，我们从这条定律中发现，冰箱的性能系数不能无限大。这个叙述表明，我们不能在没有任何外部功的情况下进行制冷过程。

结论

总之，本文为您提供了关于热力学及其定律的深入而简单的解释。在这里，我们了解到在现实生活中 100% 的效率是不可能的。

常见问题

Q1. 热平衡是什么意思？

A1. 如果两个物体的温度相同，我们可以说物体 A 和物体 B 处于热平衡状态。

Q2. 等压是什么意思？

A2. 如果系统的总压力保持恒定，则可以将系统定义为等压的。

Q3. 状态变量是什么？

A3. 我们用来确定和测量热力学平衡状态的微观实体称为状态变量。

Q4. 循环过程是什么意思？

A4. 如果一个过程在经过一系列步骤后发生，则可以将其定义为循环过程。我们也可以说这个过程从一个状态开始，经过一些变化后，又回到初始状态。

Q5. 功的标准单位是什么？

A5. 焦耳。