卡诺定理和热力学第二定律

卡诺定理和热力学第二定律都是对热力学研究的理论成果。其中卡诺定理是卡诺在l824年提出的，而热力学第二定律有两个主要的奠基人，他们就是克劳修斯和开尔文。他们的研究和发现，给以后的科学应用提供了坚实的理论基础，任何想要推翻它的人都必将遭到失败的打击。

卡诺是法国著名的工程师，他在l824年提出了卡诺定理，具体内容包括两个方面:第一，在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关；第二，在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。

一、卡诺定理

卡诺定理虽然讨论的是可逆机与不可逆机的热机效率问题，但它具有非常重大的意义。它在公式中引入了一个不等号。我们知道所有的不可逆过程是互相关联的，由一个过程的不可逆性可以推断到另一个过程的不可逆性，因而对所有的不可逆过程就可以找到一个共同的判别准则。由于热功交换的不可逆，而在公式中所引入的不等号，对于其他过程(包括化学过程)同样可以使用。就是这个不等号解决了化学反应的方向问题，同时，卡诺定理在原则上也解决了热机效率的极限值问题。

除了卡诺定理，在同一年，卡诺还提出了卡诺循环，用以分析热机的工作过程。卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环，包括四个步骤:等温膨胀和绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。

卡诺的结论已经包含了热力学第二定律，但是由于热质观念的阻碍，卡诺并没有完全探究到问题的最终答案。即使如此，卡诺的研究也为提高热机效率指明了方向，具有深远的现实意义。

二、热力学第二定律

热力学第二定律是指在自然状态下，热永远都只能由热处转到冷处。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。热力学第二定律是热力学的基本定律之一，体现了热力学的特殊性，即客观世界时间具有单方向性。

在对卡诺定理做出审查之后，德国的克劳修斯在l850年按照热传导的方向表述了热力学第二定律——热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。在他的叙述中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。

一年之后，英国的开尔文也对热力学第二定律做出了自己的表述，他是从能量消耗的角度叙述的。具体内容是:不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响。开尔文指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。

虽然克劳修斯和开尔文提出的热力学第二定律分析角度不同，但他们的概念在理论上是相通的，热力学第二定律证明了永动机是永远不会实现的。

克劳修斯是德国的物理学家，在热力学理论和气体动理论方面取得了卓越成就，并成为这两方面的主要奠基人之一，同时，克劳修斯也是世界上第一个精确表示热力学定律的科学家。除此之外，他还和麦克斯韦、波尔兹曼一起被称为分子运动论的奠基人。出生在知识分子家庭的他，曾经被法国科学院、英国皇家学会和彼得堡科学院选为院士或者会员。

开尔文是l9世纪最伟大的物理学家和发明家，在他漫长的一生中，为科学付出了极大的努力，这让他获得了所有可以获得的荣誉，还受到了世界各个国家的广泛赞赏。在英国，人们甚至称他是本国第一位物理学家，这崇高的名誉并不是每一个科学家都能够获得的。