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热力学第二定律

1850
  • Sadi Carnot
  • Rudolf Clausius
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

(图片仅供参考)

第二定律引入了熵的概念,并定义了自发过程的方向。它可以有多种表述方式,但一个关键结论是:孤立系统的总熵永远不会随时间减少。这条定律解释了“时间之箭”现象,以及为什么某些过程是不可逆的,例如热量会自发地从高温物体流向低温物体。

第二定律是科学中最深刻的原理之一。其最早的表述之一是克劳修斯表述:“热量不可能从较冷的物体传递到较热的物体而不伴随其他相关的变化。”另一个表述是开尔文-普朗克表述:“不可能设计出一种循环运行的装置,其唯一作用是从单一热源吸收热能并输出等量的功。”这两个表述都否定了第二类永动机的存在。

该定律的创新之处在于将不可逆性引入了基础物理学。 第一定律 处理 energy conservation第二定律涉及能量的品质及其不可避免地退化为低效形式(废热)。路德维希·玻尔兹曼后来给出了统计学解释,将熵(S)定义为与系统观测到的宏观状态相对应的所有可能的微观排列(微观状态)的数量。公式S = k_B ln W将熵与统计概率联系起来,解释了系统倾向于演化到其最可能(熵最高)的状态。

UNESCO Nomenclature: 2212
热力学、统计物理学和凝聚态物质

类型

抽象系统

中断

Revolutionary

用法

广泛使用

前体

  • 萨迪·卡诺关于火的动力和理想热的著作 发动机循环
  • 对蒸汽机固有低效率的观察
  • 直觉上认为热量不会自发地从冷流向热流
  • 概率论和统计学的发展 Laplace 以及其他

应用程序

  • 高效热机和制冷机的设计(卡诺效率)
  • 化学工程中预测反应自发性
  • 信息论中,香农熵是信息内容的度量
  • 宇宙学(宇宙“热寂”假说)
  • 理解无序和相变的材料科学

专利:

NA

潜在创新理念

  • entropy-driven self-assembling nanomaterials for electronics
  • 将信息转化为微尺度工作的信息引擎
  • 通过最小化熵产生来优化能源网格的算法
  • ‘time-reversal’ data processing to correct errors in quantum computing by locally reducing entropy
  • 局部熵减梯度驱动的具有自修复能力的仿生材料
  • 通过精心管理熵变,实现先进的海水淡化工艺,使用最少的能量输入
  • 基于自由能和熵最小化原理预测蛋白质折叠的软件
  • 低温 cooling systems that approach the theoretical carnot efficiency limit
  • 基于熵的金融市场波动和崩盘预测分析
  • 废物回收过程,利用光谱法根据材料的熵特征对其进行分类
与以下概念相关:热力学第二定律、熵、不可逆性、时间之箭、热机、克劳修斯表述、开尔文-普朗克表述、无序性、统计力学、自发性。

历史背景

热力学第二定律

1845
1850
1850
1850
1850
1850
1851
1842
1847
1850
1850
1850
1850
1850
1851

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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