正负温度基础上的热力学基本定律分析

赵媛媛

摘 要 在过去的一个多世纪里，热力学的发展取得了较大的进步，热力学的发展史也是人类认识热的本质及运用掌握的历史，从最开始的模糊概念转变成当代一门以实验为基础、具有可靠性的学科。热力学三大定律是宏观的热现象的理论基础，也是研究热现象的必备基础，对整个社会的快速发展起到了不可泯灭的作用，本文就笔者自身对热力学的理解，从正负温度的基础上对热力学基本定律做一些浅析。

关键词 正负温度 热力学 热力学基本定律 分析

中图分类号：O414.1 文献标识码：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

热现象是人类最早接触的自然现象之一，早在几千年前的远古时期，人类就已经了解并知道用摩擦、爆炸等热现象来达到生活的目的，中国四大发明中火药的发明都是热现象运用，中国战国时期的五行说及古希腊的四元素说认为火是自然界的一种独立元素，火又与热紧密联系，在十八世纪前，这类说法占据自然学科中占据主导性的地位，也就是说普遍认为热是物质组成的一种基本元素。

1 热力学的发展历史

温度的定量测定在对热现象研究中起到重要的作用，虽然在十七世纪，有些科学家对温度的测量做出了一定的贡献，但是由于没有统一的测量温度的基准，以及正确的理论指导，在十七世纪并没有真正的测量温度的工具的出现，在十八世纪温度学的重大突破，尤其是法论海脱的华氏温度建立及Anders Celsius所创建的摄氏温度的问世，十八世纪的伯拉客借助温度计把热量和温度做出了明确的区分。随着科学的发展，人类提出了新的疑问，就是热的本质到底是什么，早在十八世纪，当时认知能力有限，热质说和热运动说经历了非常曲折的验证路程，直到十九世纪焦耳算出了热量的数值并公布其研究成果，能量守恒的定律才真正得以确立，热质说也因历史的发展退出了历史舞台，热的本质也有了明确的结论，热是一种微观的运动和能量的一种转换形式，并且是可以互相转换的。

2 热力学定律

热力学的三个基本定律构成热力学的基础。自然界的能量总值守恒是第一定律；第二定律指出能量的转换单向性；第三定律表明不可能达到绝对零度。

2.1 正温度下的热力学基本定律

在一八四二年，英国物理学家Joule和德国的医生Mayre所提出的热力学第一定律使人们明确了热量的概念，使得能量守恒的原理得到了更深入的认识，在中国，物理学家认为“一个系由外部吸收的热能，其一部分使系的内能增加，其余的则使该系作了功”，热力学的第一定律也可以说是能量守恒与转化定律，其数学表达式为： E = Q+A，其中 E是系统内能的改变，Q是吸放热，A是做功。第一定律的一般表述为，自然界的一切物质都具有其自身的能量，能量的转换有着多种形式，彼此间可以互相转化，能量可以在不同物质之间传递，在传递或转换的过程中，它的数量总和是不变的。历史上曾经出现过永动机的假想设计，不供给能量的同时又不断地对外界做功的机器，这显然是违背热力学第一定律，所以说这样的永动机是不可能存在的。

在一八五零年，德国物理学家Clausius给出了热力学的第二定律，对第二定律的描述为：“对一个永动机来说，没有任何外界作用时，不可能将热从一个物体转移到另一个温度较高的物体”，这也就是现在被大家熟知的热力学第二定律，也就是热传导的不可逆性表述，在一八六五年Clausius再次提出了熵的概念，由熵的概念可以总结出自然界中支配过程发展的熵原理，其表面了自然界能量的变化方向。热力学第二定律的表述方法有几种，克劳修斯提出不可能使热力从低温物体传递到高温物体而不引起其他的变化，开尔文提出的表（下转第45页）（上接第38页）述是，不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功而不引起其他变化，这些表述反映了一切涉及热现象的实际过程都是不可逆的，经过大量的实践证明，与热现象有关的实际过程都是相关联的，也都是不可逆的。也反映了功变为热的不可逆性，在历史中，也曾有过许多的假想设计，试图制造效率为100%的永动机，这也是违背客观规律的，所以最后都以失败告终。endprint

根据热力学的第二定律可以得到Kelvin温标，所以人类又开始为实现低温技术而做出了一系列的研究，二十世纪初，Nemst在低温下的大量化学反应实验中总结出一个成果，当温度越接近于绝对零度的时候，在等温过程中，系统的熵不变，这就是Nemst理论，这一理论在后来被Simon用实验给予了科学的验证。所以第三定律表明，不可能通过有限的过程使温度降到绝对零度。

2.2 负温度下的热力学基本定律

在正负温度下热和功的定义相同，所以在负温度下第一定律依然适用，也就是说在负温度下能量也是守恒的。

在负温度的状态下，所谓的低温物体就是绝对温度的绝对值相对大的物体，而高温物体就是绝对温度的绝对值相对小的物体，热力学第二定律表明的是不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，所以无论绝对温度是正值或者负值，第二定律都成立，也就是说在负温度的情况下依然成立。

曾经在核磁共振的试验中发现，核自旋系统是一个负温度的系统，但是并不能总这单一的实验说明热力学第三定律的准确性，粒子是有着多能级的能量，其状态也存在基态和激发态，在一些特殊的情况下，激发态的粒子所占比例与基态粒子的比例相比，前者更多的情况下，就会出现负温度系统，在正温度时，只有温度越高，越趋向于无穷大的时候、两者所占比例才能越相等，按照这样的推理，只有在温度高于无穷大的时候，才有可能出现负的绝对零度，绝对温标的最低温度仍是绝对零度。继而证明了第三定律的表述仍然正确。

如果一个物体处于负温度系统时，它的内能肯定要比其在正温度系统时的内能要高，当此温态热源系统与正温态热源系统相接触时。会经历一个从负温态到正温态，再到这两个热源系统热态平衡，整个热量的传递过程中，其途径势必是由负到正的传递过程，这时因为负温态的产生式由于粒子的发转而生成的，而粒子的反转又是有限制的，也就是说，整个负温态系统内不可能发生整体的负温态热运动，负温态是不平衡的状态系统，当一个负温态的系统接触到正温态的系统的时候，就会自发地转变为正温态系统，所以任何的测量都会破坏负温态系统内部的状态，如测量只会得到一个正温态的数值，测量也就失去了意义。

3 结语

负温态并没有给热力学定律带来冲击，热力学的基本定律也不可能被违背，只是其中的某些表达形式必须要有一定的调整与改变，现有的对温度的定义无法适用与负温态的解释，在忽视了这一点的前提下，按照正温态的理解方式来诠释负温态下的热力学定律，错误的出现是不可避免的。在考虑了正、负温态系统的前提下，热力学定律的关系可以从、热、熵、温度、永动机等几个方面进行探究，自然界中的总和能量值是定值，一个孤立的熵的总量在正温度系统中是不断增加的，而在负温度系统下却是不断减少的，在绝对零度时，熵的值就变为零。

参考文献

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