四大物理定律：人类伟大的发现

2024-06-12 百科知识版权反馈

【摘要】：卡诺定理的证明图示四大定律被誉为人类最伟大的十个科学发现之一，多位科学家为了这门学科的发展作出了重大的贡献。如果没有四大定律的研究以及发现，能量就不可能转变成“功”，而很多工程技术和发明就不会诞生。

四大定律　人类伟大的发现

热力学的相关内容不涉及深奥的物质微观结构和微观粒子的相关问题，也不涉及特殊物质的具体性质，它完全是根据实验结果综合整理而成的系统理论，是一种唯象的宏观理论，因此它具有高度的可靠性和普遍性。四大定律的出现，为热力学的发展提供了重要的理论支撑。

卡诺定理的证明图示

四大定律被誉为人类最伟大的十个科学发现之一，多位科学家为了这门学科的发展作出了重大的贡献。如果没有四大定律的研究以及发现，能量就不可能转变成“功”，而很多工程技术和发明就不会诞生。

身处蒸汽机迅速发展并且被广泛应用的年代的法国物理学家卡诺，看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。首先，他从理论的高度入手对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律。他提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。另外，在充分应用理想模型的研究方法的基础上，他独辟蹊径，运用富有创造性的想象力，制造出了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机）。

在他现存的少量手稿论文中提到：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。由于受到当时热质说的束缚，卡诺当时未能完全探究到问题的底蕴。但从其论文的内容来看，卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想。

1843年8月21日，在英国科学协会数理组会议上，焦耳宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》。这篇论文强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了电磁能或机械能，总在某些地方能得到相当的热。他用了近40年的时间，先后用不同的方法做了四百多次实验，经过不懈地钻研，他终于测定了热功当量，并得出了结论：热功当量与做功方式无关，它只是一个普适常量。他的这一实验常数，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。

时隔三年后，亥姆霍兹在1847年发表《论力的守恒》，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，指出它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。这是人们第一次系统地阐述了能量守恒原理，揭示各种运动形式之间的统一性，它使得物理学达到空前的综合与统一。这是首次将能量守恒定律应用到热力学上，而这就是热力学第一定律，同时这条定律也是发明温度计的原理。(www.chuimin.cn)

1850年，克劳修斯首先提出了熵的概念，并从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律：热量不可能不花任何代价地自发地从低温物体传向高温物体。

人们根据热力学第一定律发明了温度计

1906年，德国化学家能斯特根据对低温现象的研究，得出了“能斯特热定理”，人们称之为热力学第三定律。这一发现有效地解决了计算平衡常数问题和许多工业生产难题，由此，他获得了1920年诺贝尔化学奖。

量子物理学的开创者和奠基人德国物理学家普朗克，在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。然后在1911年普朗克提出了对热力学第三定律的表述，即“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”。

在科学界通常是将热力学第一定律及第二定律作为热力学的基本定律，但有时将温度存在定律当做第零定律，有时又增加能斯特定理当做第三定律，而这四个定律就是热力学中有名的四大定律，也是热力学最基本的定律。

第一支温度计

最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略发明的。这支温度计的一端是一根敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。由于这种温度计受外界大气压强弱等环境因素的影响较大，所以测量误差较大。

四大物理定律：人类伟大的发现

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