開爾文-普朗克敘述

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簡介

在熱力學中，我們研究各種定律來理解從能源或儲庫獲取能量、執行工作併產生輸出的系統的機制和輸出。為了以非常簡單和正確的方式描述完整的活動，熱力學主要有三個定律。其中熱力學第二定律非常重要。熱力學第二定律有兩個部分，或者我們可以說有兩個表述：開爾文-普朗克敘述和克勞修斯敘述。本文的重點是開爾文-普朗克敘述。

簡單來說，開爾文-普朗克敘述表明，人類無法制造出效率為 100% 的引擎，這意味著如果我們從源頭向引擎提供一定量的輸入，它就不能將所有輸入轉換為輸出，一些能量會轉化為不需要的噪聲、熱量損失等。

什麼是熱力學？

如果我們將“熱力學”這個詞分成兩部分，我們可以很容易地預測這個主題將基於“熱”和“動力學”。因此，討論將基於熱的運動或由熱引起的運動。

熱力學是科學的一個分支，我們研究熱和功之間的關係。在這裡，我們還學習了一種形式的能量如何轉化為機械功，並對熱和溫度的概念進行重要的視覺化。

這個物理學分支為我們提供了了解熱轉化為功和功轉化為熱的迴圈的思路。為了瞭解任何大體系統中這兩種能量之間的轉換，我們還使用一些術語，例如壓力、溫度、質量、體積等。

熱力學第一定律

為了找出熱和機械功之間的關係，科學家提出了許多熱力學定律。這裡我們將解釋熱力學第一定律。

根據熱力學第一定律，如果我們向正在工作或能夠執行工作的系統提供未知量的熱能，則該能量的總量將是該系統內能變化量和系統對周圍環境所做的外部功之和。

假設我們向一個系統提供 $\mathrm{\Delta Q}$ 能量。我們注意到它們的內能變化為 $\mathrm{\Delta U}$，並且系統還做了 $\mathrm{\Delta W}$ 的外部功。然後，根據熱力學第一定律，給定能量的表示式為

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

為了簡化上述方程，我們知道

$\mathrm{功= 力 \times 距離}$

這裡，力是壓力和麵積的乘積。

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，

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

熱力學第二定律

由於熱力學有很多變數，因此熱力學第一定律提供的解釋在某些方面有些不一致，無法對某些點給出有意義的理由。這導致了熱力學第二定律的產生。熱力學第二定律可以用兩種說法來表述。

• 開爾文-普朗克敘述：這是兩位科學家開爾文勳爵和普朗克提出的結果和理論的結合。這個敘述也被稱為熱機敘述。

  根據這個敘述，不可能製造出效率為 100% 的引擎。沒有現有的引擎，將來也不會出現，能夠將全部輸入轉換為功，而無需將能量用於任何其他效應，如噪聲等。

  因此，如果工作的引擎從源頭獲取熱量，則它不能將全部熱量轉換為功，而必須將一部分熱量排放到水槽中。

• 克勞修斯敘述：這有點類似於水位或水位的概念。根據這個敘述，沒有人能夠將熱量從較低溫度傳遞到較高溫度。這條定律適用於我們的冰箱。我們必須使用外部能源來冷卻任何物體。

開爾文-普朗克敘述的等價性

在熱力學第二定律中，有兩個敘述，這兩個敘述彼此等價。這種等價性表明，違反一個敘述也會導致違反第二個敘述，反之亦然。我們可以使用下圖來展示這種關係。

圖片即將推出

圖 1：使用熱機違反克勞修斯敘述

在上圖中，我們有一個克勞修斯違反者，它執行虛假操作並將熱量 $\mathrm{Q_1}$ 從冷儲庫傳送到熱儲庫 $\mathrm{Q_2}$。這裡，$\mathrm{Q_1}$ 和 $\mathrm{Q_2}$ 都相等。因此，實際上這是不可能的，因此係統違反了克勞修斯敘述。

在這裡，我們可以看到另一個系統也與克勞修斯違反者並行工作。這個熱機從位於 $\mathrm{T_2}$ 的儲庫獲取輸入。熱機獲得的熱量等於克勞修斯違反者傳送的熱量。因此，我們可以移除位於 $\mathrm{T_2}$ 的儲庫。

圖片即將推出

圖 2：使用可逆熱機違反克勞修斯敘述

因此，熱機可以直接從克勞修斯違反者獲取熱量，這意味著熱機在一個儲庫中工作。這是不可能的。如果熱機在一個儲庫中工作，則違反了開爾文-普朗克敘述。

開爾文-普朗克敘述的結果

熱力學第二定律非常重要，並具有以下結果。

• 根據開爾文-普朗克敘述，熱機的效率不能為 1。這是一種理想狀態，在實踐中無法實現。

• 此外，我們從這條定律中發現，冰箱的效能係數不能無限大。這個敘述表明，我們不能在沒有任何外部功的情況下進行製冷過程。

結論

總之，本文為您提供了關於熱力學及其定律的深入而簡單的解釋。在這裡，我們瞭解到在現實生活中 100% 的效率是不可能的。

常見問題

Q1. 熱平衡是什麼意思？

A1. 如果兩個物體的溫度相同，我們可以說物體 A 和物體 B 處於熱平衡狀態。

Q2. 等壓是什麼意思？

A2. 如果系統的總壓力保持恆定，則可以將系統定義為等壓的。

Q3. 狀態變數是什麼？

A3. 我們用來確定和測量熱力學平衡狀態的微觀實體稱為狀態變數。

Q4. 迴圈過程是什麼意思？

A4. 如果一個過程在經過一系列步驟後發生，則可以將其定義為迴圈過程。我們也可以說這個過程從一個狀態開始，經過一些變化後，又回到初始狀態。

Q5. 功的標準單位是什麼？

A5. 焦耳。