热力学第二定律

能量守恒和转化定律就是热力学第一定律，或者说热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的表现。它指明热是物质运动的一种形式，物

质系统从外界吸收的热量等于这个能的增加量和它对外所作的功的总和。也就是说想制造一种不消耗任何能量就能永远作功的机器，即“第一种

永动机”，是不可能的。

人们继续研究热机效率问题，试图从单一热源吸取能量去制作会永远作功的机器，这种机器并不违背能量守恒定律，只需将热源降温而利用其能量推动机器不断运转。

这种机器就是“第二类永动机”。然而这种机器屡遭失败，不能成功，这就需要从理论上进一步探索。

前面说过，卡诺已经接近发现了热力学第一定律和热力学第二定律，但他受热质说的影响，不能把它们表述出来。

1850 年，德国物理学家克劳胥斯在研究卡诺理论的基础上，提出“一个自行动作的机器，不可能把热从低温物体传到高温物体中去”。这就是热力学第二定律的“克劳胥斯表述”。

1851 年，英国物理学家威廉·汤姆生，即凯尔文勋爵也独立地从卡诺的工作中发现了热力学第二定律。

汤姆生，1824 年生于英国贝尔发斯特城。父亲是皇家学院的数学教授，治学勤奋，对子女要求也很严格，1832 年被聘到母校格拉斯哥大学任教，全家也迁往该城。

当这位新来的教授开始上第一堂课时，同学们发现教室多了两个漂亮的小男孩，也在津津有味地听着，他们就是 8 岁的汤姆生和他 10 岁的哥哥。

汤姆生 10 岁时，和哥哥正式进格拉斯哥大学预科学习，这可能是当时最小的大学生。汤姆生天资聪明，学习勤奋，表现出杰出的才能。15 岁，他获得学校的物理学奖，第二年获天文学奖。17 岁时，他在剑桥大学的数学杂志上发表了一篇论文，名震全校。

此后几年中，汤姆生发表了一连串的研究论文，内容包括数学、热力学和电学。

1846 年，年仅 22 岁的汤姆生击败 30 多位教师候选人，获得了格拉斯哥大学的教授职位。

1847 年 6 月，焦耳在牛津大学举行的学术会议上，阐明机械能可以定量地转化为热能，各种形式的能都可以相互转化。

汤姆生出席了这次会议，他也是传统的热质说的拥护者，认为能量不可能转化，准备反驳焦耳的观点。当焦耳用实验证明自己的观点后，汤姆生逐渐明白焦耳学说里包含的真理。

汤姆生改变初衷，不但不反驳，而且在会后和焦耳亲切地交谈起来，大有相见恨晚之意。

克劳塞在汤姆生传记中写道：“说来也怪有趣的，就是汤姆生在年青时就碰到了两个大名鼎鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来却只同其中之一的焦耳，成了最投机的同志。”

当时，汤姆生正在电磁理论边缘徘徊，和焦耳的一席交谈，使他把注意力转向了热力学研究，从而在物理学的另一个领域大放光彩。

1848 年，汤姆生创立了绝对温标。这种温标以—273℃作为 0°，用于热力学计算，故称热力学温标。现在公认的绝对 0°是—273.15℃。

因为威廉·汤姆生在 1892 年被封为凯尔文勋爵，所以他创立的温标被称为开氏温标，简称 K（因为凯尔文又译为开耳芬）。

1815 年，汤姆生提出了一条新的普通原理：不可从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。这就是热力学第二定律的凯尔文表述。

凯尔文表述揭示了热运动的自然过程是不可逆的，制造第二种永动机也是不可能的。

1852 年，汤姆生和焦耳合作，发现了著名的汤姆生——焦耳效应：气体从高气压的空间经过多孔性物质流向低气压空间时，温度要降低，但氢气除外。

这个效应被广泛地用于获得低温的技术上。

1853 年，汤姆生对能量守恒和转化定律做了完整的表述。

汤姆生还把热力学第一定律和热力学第二定律具体应用到热学、电学和弹性现象等方面，对热力学的发展起了很大作用。

热力学第二定律后来被归纳为三种表述形式：