趙媛媛

摘 要 在過去的一個多世紀(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)代一門以實驗為基礎(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)，對整個社會的快速發(fā)展起到了不可泯滅的作用，本文就筆者自身對熱力學(xué)的理解，從正負(fù)溫度的基礎(chǔ)上對熱力學(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：O414.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)古時期，人類就已經(jīng)了解并知道用摩擦、爆炸等熱現(xiàn)象來達(dá)到生活的目的，中國四大發(fā)明中火藥的發(fā)明都是熱現(xiàn)象運(yùn)用，中國戰(zhàn)國時期的五行說及古希臘的四元素說認(rèn)為火是自然界的一種獨立元素，火又與熱緊密聯(lián)系，在十八世紀(jì)前，這類說法占據(jù)自然學(xué)科中占據(jù)主導(dǎo)性的地位，也就是說普遍認(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

溫度的定量測定在對熱現(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)家對溫度的測量做出了一定的貢獻(xiàn)，但是由于沒有統(tǒng)一的測量溫度的基準(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)時認(rèn)知能力有限，熱質(zhì)說和熱運(yùn)動說經(jīng)歷了非常曲折的驗證路程，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)說也因歷史的發(fā)展退出了歷史舞臺，熱的本質(zhì)也有了明確的結(jié)論，熱是一種微觀的運(yùn)動和能量的一種轉(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，英國物理學(xué)家Joule和德國的醫(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，在中國，物理學(xué)家認(rèn)為“一個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)換的過程中，它的數(shù)量總和是不變的。歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過永動機(jī)的假想設(shè)計，不供給能量的同時又不斷地對外界做功的機(jī)器，這顯然是違背熱力學(xué)第一定律，所以說這樣的永動機(jī)是不可能存在的。

在一八五零年，德國物理學(xué)家Clausius給出了熱力學(xué)的第二定律，對第二定律的描述為：“對一個永動機(jī)來說，沒有任何外界作用時，不可能將熱從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個溫度較高的物體”，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）（上接第38頁）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)象的實際過程都是不可逆的，經(jīng)過大量的實踐證明，與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際過程都是相關(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，也曾有過許多的假想設(shè)計，試圖制造效率為100%的永動機(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)實驗中總結(jié)出一個成果，當(dāng)溫度越接近于絕對零度的時候，在等溫過程中，系統(tǒng)的熵不變，這就是Nemst理論，這一理論在后來被Simon用實驗給予了科學(xué)的驗證。所以第三定律表明，不可能通過有限的過程使溫度降到絕對零度。

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溫度的絕對值相對大的物體，而高溫物體就是絕對溫度的絕對值相對小的物體，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，所以無論絕對溫度是正值或者負(fù)值，第二定律都成立，也就是說在負(fù)溫度的情況下依然成立。

曾經(jīng)在核磁共振的試驗中發(fā)現(xiàn)，核自旋系統(tǒng)是一個負(fù)溫度的系統(tǒng)，但是并不能總這單一的實驗說明熱力學(xué)第三定律的準(zhǔn)確性，粒子是有著多能級的能量，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，就會出現(xiàn)負(fù)溫度系統(tǒng)，在正溫度時，只有溫度越高，越趨向于無窮大的時候、兩者所占比例才能越相等，按照這樣的推理，只有在溫度高于無窮大的時候，才有可能出現(xiàn)負(fù)的絕對零度，絕對溫標(biāo)的最低溫度仍是絕對零度。繼而證明了第三定律的表述仍然正確。

如果一個物體處于負(fù)溫度系統(tǒng)時，它的內(nèi)能肯定要比其在正溫度系統(tǒng)時的內(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。會經(jīng)歷一個從負(fù)溫態(tài)到正溫態(tài)，再到這兩個熱源系統(tǒng)熱態(tài)平衡，整個熱量的傳遞過程中，其途徑勢必是由負(fù)到正的傳遞過程，這時因為負(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，整個負(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，負(fù)溫態(tài)是不平衡的狀態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)一個負(fù)溫態(tài)的系統(tǒng)接觸到正溫態(tài)的系統(tǒng)的時候，就會自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎貞B(tài)系統(tǒng)，所以任何的測量都會破壞負(fù)溫態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，如測量只會得到一個正溫態(tài)的數(shù)值，測量也就失去了意義。

3 結(jié)語

負(fù)溫態(tài)并沒有給熱力學(xué)定律帶來沖擊，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)有的對溫度的定義無法適用與負(fù)溫態(tài)的解釋，在忽視了這一點的前提下，按照正溫態(tài)的理解方式來詮釋負(fù)溫態(tài)下的熱力學(xué)定律，錯誤的出現(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、永動機(jī)等幾個方面進(jìn)行探究，自然界中的總和能量值是定值，一個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，在絕對零度時，熵的值就變?yōu)榱恪?/p>

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