热力学第三定律绝对零度不可达到
热力学第三定律
徐中山 12225040 摘要：热力学第三定律是伴随着低温技术的研究而发展起来的普遍规律，它的 正确性已由大量实验事实所证实。本文主要论述热力学第三定律的两种等价表 述即能斯特定理和绝对零度达不到原理，并且简要阐述绝对熵的概念以及热力 学第三定律的推论和应用。 关键词： 能斯特定理 绝对零度 绝对熵
一、能斯特定理
1906 年能斯特在研究各化学反应中在低温下的性质时引出一个
结论，称为能斯特定理，它的内容如下：
凝聚系的熵在等温过程中的改变随热力学温度趋于零，即 Tli→m0(∆S)T = 0
其中(∆S)T指在等温过程中熵的改变。 我们知道，在等温过程中:
∆G = ∆H − T∆S
由于∆S有界，在T → 0时显然有∆G = ∆H，这当然不足以说明在一个
+
T
∫
T，，
CP，，
dT T
其 中 ， T，， 表 示 气 液 相 变 点 的 温 度 ，
L，，表示汽化热，CP，，表示气态的定压热容。 四、热力学第三定律的若干推论和应用
1.在绝对零度时等温线和绝热线重合，是同一根线。
2. T → 0时一级相变的相平衡曲线斜率为零。
3. ∆H和∆G在T → 0处不但相等而且有相同的偏导数。
∫
0
Cx1
T
=
S(0, x2) −
S(0, x1) + ∫
0
Cx2 T
选择T1，令
T1 dT
∫
0
Cx1 T = S(0, x2) − S(0, x1)
则T2 = 0，绝对零度可达到，第三定律的否定形式也不成立。于是
就证明了，能斯特定理和绝对零度达不到原理等价。
三、绝对熵
热力学第三定律绝对零度与热平衡
热力学第三定律绝对零度与热平衡热力学第三定律是描述物质在接近绝对零度时的热平衡行为的定律。
它规定了当物体的温度趋近于绝对零度时，熵趋于零。
本文将探讨热力学第三定律、绝对零度以及热平衡三者之间的关系。
热力学第三定律是热力学中最基础也是最后一个被发现的定律。
它于1906年由杰姆森·玻尔茨和沃尔特·纳南斯提出。
热力学第三定律的核心内容是：当温度趋近于绝对零度时，熵的值趋近于零。
这意味着物质在接近绝对零度的温度下已经失去了所有的无序状态，达到了最低的能量状态。
绝对零度是热力学温标的零点，它的数值为0K，相当于-273.15摄氏度。
在实际世界中，绝对零度是无法达到的，因为要将物体冷却到绝对零度需要无限的时间与能量消耗。
但是通过实验和理论计算，可以将物体的温度降低到接近绝对零度，并观察物质在极低温下的性质和行为。
当物体的温度接近绝对零度时，其分子动能减小，分子运动趋向冻结。
这种状态下，物体的热容减小至极小值，可以忽略不计。
此时的物体被认为处于热平衡状态，即物体内部各个微观粒子之间的热运动达到了平衡，不存在热量的流动。
热力学第三定律与热平衡有着密切的关系，因为在接近绝对零度的温度下，物质已经失去了所有的无序状态，处于最低能量状态，不再发生热量的交换和熵的变化。
热平衡是热力学中的一个重要概念，指的是物质内部各个微观粒子之间的热运动达到了平衡状态，不存在热量的流动和能量的转化。
在热平衡状态下，物体各个部分的温度是均匀稳定的，不会发生温度差异。
在接近绝对零度的温度下，物质已经达到了最低能量状态，不再发生热量的传递和熵的变化，处于热平衡状态。
绝对零度和热平衡是热力学中的两个重要概念，它们与热力学第三定律的关系密不可分。
热力学第三定律指出，当温度趋近于绝对零度时，熵趋于零，物质已经失去了所有的无序状态，达到了最低能量状态。
在这个状态下，物质处于热平衡状态，不存在热量的传递和能量的转化。
因此，可以说热力学第三定律描述了物质接近绝对零度时的热平衡行为。
热力学三大定律分别是什么
热力学三大定律分别是什么
第一定律：能量守恒定律
第一定律，也称为能量守恒定律，是热力学中最基本的定律之一。
它表明能量在自然界中不能被创造或者毁灭，只能从一种形式转换为另一种形式。
这意味着一个封闭系统中的能量总量是恒定的，即能量的变化等于能量的转移。
换句话说，系统内的能量增加必须等于从系统中输出的能量减少。
第一定律的数学表达为：
$$\\Delta U = Q - W$$
其中，U为系统内能的变化，Q为系统吸收的热量，W为系统对外做的功。
第二定律：熵增定律
第二定律，又称为熵增定律，描述了自然系统朝着更高熵状态演化的方向。
熵是一个描述系统无序程度的物理量，熵增定律表明在一个孤立系统中，熵永远不会减少，只能增加或保持不变。
换句话说，热力学第二定律阐明了自然中不可逆的过程。
数学表达式为：
$$\\Delta S \\geq 0$$
其中，$\\Delta S$为系统熵的变化。
第三定律：绝对零度不可达性原理
热力学第三定律是与系统的绝对零度状态有关的定律，也称为绝对零度不可达性原理。
根据这一定律，在有限的步骤内无法将任何系统冷却到绝对零度。
绝对零度是温度的最低可能值，达到这个温度时物质的热运动会停止。
这一定律的提出主要是为了指出温度接近绝对零度时系统的行为，以及随着温度趋近于零熵也趋近于零。
具体表述为：
不可能通过有限的步骤将任何物质冷却到绝对零度。
热力学第三定律的推导过程
热力学第三定律的推导过程热力学第三定律是热力学的基本定律之一，它描述了在绝对零度附近物质的行为。
本文将介绍热力学第三定律的推导过程，以及该定律对热力学的重要性。
热力学第三定律是由瓦尔特·恩斯特于1906年提出的，它表明在绝对零度（0K）下，理论上不可能将物质完全冷却到绝对零度以下。
这一定律对研究物质的性质和行为具有重要意义。
下面将按照一般科学论文的格式，逐步介绍热力学第三定律的推导过程。
首先，我们需要了解热容和熵的概念。
热容是物质在温度变化时吸收或释放的热量与温度变化之比。
熵则是描述物质无序度的物理量。
根据热力学的基本原理，当温度趋近于绝对零度时，物质的熵趋近于零。
其次，我们可以从熵的定义出发，推导出热力学第三定律。
根据熵的定义，熵可以表示为S = k lnΩ其中，S表示系统的熵，k是玻尔兹曼常数，Ω为系统的微观状态数。
当温度趋近于绝对零度时，根据统计力学的理论，物质的微观状态数会趋于一个最小值。
为了推导热力学第三定律，我们引入了一个假设，即在绝对零度下，物质所有的微观状态数都只有一个。
这个假设被称为零熵假设。
根据零熵假设，当温度趋于绝对零度时，熵将趋于零。
接下来，我们将熵的表达式代入到热容的定义中，得到C = T (∂S/∂T)P其中，C表示热容，T表示温度，(∂S/∂T)P表示在恒定压力下，熵对温度的偏导。
根据推导过程，当温度趋近于绝对零度时，熵趋于零，因此热容也将趋于零。
综上所述，根据熵的零熵假设以及热容的推导，我们可以得出热力学第三定律的结论：在绝对零度附近，物质的热容趋近于零。
热力学第三定律的推导过程是基于统计力学和熵的理论基础，它描述了物质在绝对零度下的行为。
这个定律对于研究物质的性质以及低温物理学有着重要的意义。
它为我们理解和探索自然界提供了基础，也为低温技术的发展提供了理论指导。
总结起来，热力学第三定律的推导过程涉及熵的定义、熵和热容的关系以及零熵假设。
通过推导可以得出在绝对零度附近物质的热容趋近于零。
热力学四大定律
人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。
没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。
热力学的四大定律简述如下：热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。
热力学第二定律——力学能可全部转换成热能，但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功(热机不可得)。
热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限趋近。
法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）(左图)生于巴黎。
其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。
卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他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。
他独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律；1824年他发表了名著《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》（右图），书中写道：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作介质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作介质，也不论以什么方法来运转它们。
”卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机），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。
卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西：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。
热力学的第三定律的基本概念及实际应用
热力学的第三定律的基本概念及实际应用热力学的第三定律：基本概念及实际应用1. 基本概念热力学第三定律是热力学基本定律之一，它揭示了在接近绝对零度时，系统熵的变化规律。
这一定律由德国物理学家恩斯特·韦伯和马克斯·普朗克在1923年提出，后来被广泛接受和证实。
1.1 熵的定义要理解热力学第三定律，首先需要明确熵的概念。
熵是热力学系统中的一种度量，表示系统混乱程度的物理量。
在宏观上看，熵可以理解为系统中的能量分布均匀程度。
一个系统的熵越大，其能量分布越均匀，系统越趋向于热力学平衡。
1.2 绝对零度的概念绝对零度是热力学温标（开尔文温标）的最低温度，对应于0K。
在绝对零度时，理论上系统中的分子和原子的运动将停止，系统达到最低的能量状态。
1.3 第三定律的内容热力学第三定律指出，在温度接近绝对零度时，系统的熵接近一个常数。
换句话说，系统熵的变化趋于停止。
这表明，无论系统如何接近绝对零度，其熵值都不会降低到零。
换句话说，绝对零度是不可达到的。
2. 实际应用热力学第三定律在许多实际领域中具有重要意义，以下是一些主要应用：2.1 制冷技术热力学第三定律在制冷技术中起着关键作用。
根据第三定律，制冷剂在接近绝对零度时，其制冷能力会减弱。
因此，在设计和使用制冷系统时，需要考虑到这一限制。
2.2 低温物理在低温物理领域，热力学第三定律对于理解和研究物质在接近绝对零度时的性质具有重要意义。
例如，超导体在超低温下表现出独特的电磁性质，这些性质与热力学第三定律密切相关。
2.3 信息论热力学第三定律与信息论也有着密切的联系。
熵在信息论中用作信息量的度量，而热力学第三定律揭示了在低温下系统熵的变化规律。
这为信息处理和传输提供了理论基础。
2.4 宇宙学在宇宙学中，热力学第三定律对于理解宇宙的演化和命运具有重要意义。
根据第三定律，宇宙的熵会随时间增加，这有助于解释宇宙从一个高度有序的状态发展到目前这个复杂、混乱的状态。
1 热力学第三定律
可得： ( lim
T 0
V T
) P 0， lim (
T 0
P T
)V 0
上式说明了：绝对温度趋于零时，物质的 1 V 体胀系数 ( )P 和 压 强 系 数 V T 1 P ( )V 趋 于 零 。 （ 铜 、 铝 、 银 ~ ~ ） P T
当 y 为 物 质 的 不 同 相 ， T 0时 ， 两相的熵相等。
lim S 0
T 0
推广到任意等温过程，得到能氏定理：它是从实验研究中总结出来的！
热力学第三定律是低温现象中的规律， 它的几种表述可以总结为：
1 能氏定律是独 立于热力学第 一、二定律的 另一种定律
2 绝对零度不能 达到原理
3 绝对零度趋于 零时，同一物 质处在热力学 平衡的一切形 态具有相同的 熵
性质时，从大量实验中总结出了能斯特定律，简称能氏定 律。1912年能斯特根据他的定律推出一个原理，名为绝对 零度不能达到原理。
1、凝聚系的熵在等 温过程中的改变随绝 对温度趋于零，即：
lim (S ) 0
T 0 K T
2、不可能通过 有限的步骤使一 个物体冷却到绝 对温度的零度
2、 能氏定理的引出
以 T ， y 为 状 态 参 量 ， 参 照 C V 和 C P的 表 达 式 ， 在 状 态 参 量 y不 变 时 的 热 容 量 可 以 表 示 为 ： Cy T ( S T )y （ S ln T ） y
T 0时 ， T - ， 而 S 有 限 ， 所 ln 以有： lim C y 0
U F T 0 T 0
F S T V
F lim(S ) 0 T 0 T 0
热力学第三定律与绝对零度
热力学第三定律与绝对零度热力学是研究能量转化和传递的科学，而热力学第三定律是热力学中的一个基本定律，与绝对零度密切相关。
本文将探讨热力学第三定律的原理及其与绝对零度的关系。
一、热力学第三定律的原理热力学第三定律也被称为Nernst定理，它由德国化学家纳尔斯特于1906年提出。
该定律的核心思想是：当温度趋近于绝对零度时，任何纯晶体的熵值都会趋近于零。
熵是热力学中衡量系统有序程度的物理量，也可以理解为系统的混乱程度。
热力学第三定律指出，在绝对零度下，晶体中的粒子停止运动，达到最低的能量状态，从而系统的熵值趋近于零。
这个定律为研究物质在极低温条件下的性质提供了重要的基础。
二、与绝对零度的关系绝对零度是温度的最低限度，被定义为-273.15摄氏度或0开尔文。
根据热力学第三定律的内容，当温度达到绝对零度时，晶体的熵值趋近于零，意味着物体的有序程度不断增加。
根据绝对零度的定义，温度低于绝对零度是不可能的。
然而，科学家们通过制冷技术成功地将温度降低到非常接近绝对零度的程度，这使得研究绝对零度附近物质的性质成为可能。
在接近绝对零度的条件下，物质的性质也发生了诸多变化。
当温度降到绝对零度时，普通固体会变为超导体或超流体，表现出许多奇特的物理现象。
此外，也有一些物质在接近绝对零度时表现出玻色-爱因斯坦凝聚的现象，即大量粒子进入基态并以同样的量子状态存在。
绝对零度和热力学第三定律的关系在物理学的发展过程中起到了重要的作用。
通过研究绝对零度附近物质的性质，科学家们不仅深化了对热力学和统计物理的理解，还在凝聚态物理学、超导体、超流体和量子计算等领域做出了许多突破性的发现。
三、应用与前景热力学第三定律的应用领域非常广泛。
它在实践中被用于研究和分析各种物质的性质，特别是在低温物理学和热力学方面应用较为广泛。
在低温物理学中，研究绝对零度附近物质的性质可以帮助科学家了解超导体、超流体和量子相变等现象的本质。
这些研究不仅对于物理学基础理论的发展具有重要意义，还有望在能源传输、磁场测量和量子计算等领域有实际应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
热力学第三定律绝对零度不可达到热力学第三定律是热力学中的一个基本定律，它指出在热平衡下，当温度趋于绝对零度时，系统的熵趋于一个有限值。
换句话说，绝对零度是热力学系统中的最低温度，不可能达到零度或以下的温度。
本文将详细解释热力学第三定律，并探讨为什么绝对零度不可达到。
一、热力学第三定律的概述
热力学第三定律是热力学中的一条基本定律，由德国物理学家尼尔斯·玻尔所提出。
该定律也被称为"零度定律"，它描述了当温度趋于绝对零度时，系统的熵趋于一个有限值的现象。
熵可以被视为系统的无序程度的度量，绝对零度意味着系统中没有任何热能可用，系统处于最低能量状态，也即最有序的状态。
根据热力学第三定律，当温度趋于绝对零度时，系统的熵将趋于零，但不会达到零。
二、贝克利-艾伦定理
贝克利-艾伦定理是热力学第三定律的数学表达形式，以物理学家詹姆斯·贝克利和奥斯瓦尔德·艾伦的名字命名。
该定理指出，在绝对零度下，熵的值恒为零。
这一定理形式上揭示了熵随温度趋近绝对零度而趋于零的趋势。
三、为什么绝对零度不可达到
1. 第三定律对应理论定律：热力学第三定律是基于实验观测得出的一个定律，并且得到了广泛的实验证实。
无数实验证明，在实际的物理体系中，无法达到绝对零度。
2. 霍尔效应的存在：绝对零度意味着物质处于最低能量状态，原子
和分子不再具有热运动。
然而，根据霍尔效应，即便在绝对零度下，
原子和分子也会因为零点振动而产生微小的能量。
这是绝对零度无法
实现的一个重要原因。
3. 玻色-爱因斯坦凝聚：当温度趋近绝对零度时，玻色子会聚集在量子力学的基态，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚。
这一现象被广泛应用
于凝聚态物理和物体制冷领域，但也是绝对零度无法实现的一个原因。
4. 完全消除熵的不可行性：绝对零度意味着系统不再具有任何热运动，也即熵趋于零。
然而，根据统计力学的理论，完全消除熵是不可
行的。
即使在最低能量状态下，系统仍然存在量子涨落和其他微观粒
子的不确定性，这些都会导致系统具有微小的熵。
综上所述，热力学第三定律指出绝对零度是系统能达到的最低温度，而不是一个可以真正到达的温度。
贝克利-艾伦定理定量地描述了熵随
温度趋近绝对零度而趋于零的趋势。
无论是基于实验观测还是理论推导，绝对零度不可达到的事实都得到了充分的证明。
我们对热力学第
三定律的理解与应用让我们更清楚地认识到了自然界中的温度极限。