通识物理-热力学第三定律解析

自从瓦特通过安装水冷型冷凝器改良蒸汽机后，人们就一直在尝试通过各种方法来进一步提高热机的工作效率，甚至想要获得工作效率为1 的理想热机。在这个过程中，虽然很多工程师和科学家都付出了巨大的努力，也涌现出许多非常巧妙的设计，但终究没有人能将热机效率成功地提高到1，这究竟是为什么呢？在这里，要想得到完美的答案，我们仍然需要关注热机效率公式（6.4）。从热机效率的表达式η=1-可以看出，要想使热机效率达到1，我们有两个选择：如图6.17 所示，我们要么使系统的高温热源的温度T1趋于无穷大，要么使低温热源的温度T2达到绝对零度。但是，正如“人外有人、山外有山”，宇宙中没有最高温只有更高温，所以想要获得无穷大的高温根本就是不可能的，更不用说企图靠达到无穷大高温使热机效率达到1的妄想了。

图6.17　使热机效率达到1的方案

另一方面，那是否存在降低温度的极限呢？1702 年，法国物理学家阿蒙顿倒是首次提出了“绝对零度”的最低温概念。阿蒙顿认为：空气受热时体积和压强都会随温度的增加而增加；那么反过来，当空气的压强等于零时，温度也将为零。于是，阿蒙顿通过反推计算，获得了第一个理论“绝对零度”，约为-239 ℃。“绝对零度”的提出显然具有重大的理论意义，它不仅说明温度具有“最低温”，而且也预示着：如果我们能将热机低温热源温度降低到绝对零度，就有可能将热机效率提高到1。在这个信念的鼓舞下，更多的科学家加入了对“绝对零度”的研究。很快，物理学家兰伯特更精确地重复了阿蒙顿的计算，并把这个温度修正为-270.3 ℃。1848 年，英国物理学家开尔文在确立热力温标时，终于确认了“绝对零度”是宇宙温度的下限。在热力学的经典表述中，绝对零度下所有热运动将停止，1 开尔文（K）定义为水的三相点（0.01 ℃）与绝对零度相差的1/273.15，热力学温度与摄氏度的换算关系为：T（K）=t（℃）+273.15；换句话说：绝对零度就是-273.15 ℃。(www.xing528.com)

在这样令人欣喜的热学研究进展下，眼看“工作效率为1 的热机”即将横空出世，但是能斯特的研究结果又给了人们当头一棒。1906 年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚态物质的熵（热量除以温度）的改变也将趋于零。”为了便于理解，德国物理学家普朗克把这个表述改为：“当绝对温度趋于零时，凝聚态物质的熵也趋于零。”由于熵体现了热力学方向，当熵趋于零，也就意味着温度的变化趋于零，因此绝对零度只能永远趋近，而无法真正达到。在普朗克的启发下，1912 年，能斯特干脆将这一规律的表述直接修改为：“不可能使一个物体冷却到绝对零度”，这就是“热力学第三定律”。1940年，英国物理学家否勒和古根海姆则从“熵”的角度进行理解，提出了热力学第三定律的另一种表述形式，即：“任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到绝对零度。”这些表述虽然在文字上有所不同，但却是相互联系的，都反映了“绝对零度只能趋近不能达到”的本质，因此都可以称为“热力学第三定律”。

热力学第三定律的直接结果就是“绝对零度不能达到”，也就是说人们企图通过达到“最低温”使热机效率达到1 的想法也是不可能实现的。反过来，也正因现实中的热机效率总小于1，所以可以证明“无穷大的高温和绝对零度的低温在现实中都是绝对不可能达到的”。根据这样的实质，如果我们通过一个“负温系统”来理解，热力学第三定律还可以表述为：“任何热力学系统所处的温度都只存在于一个开区间范围内，并没有最高温和最低温。”