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信網(wǎng)7月19日訊為什么孤立系統(tǒng)的熵不會(huì)減??？熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)是一致的嗎？能借助熱力學(xué)第二定律推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程嗎？7月17日，《張朝陽(yáng)的物理課》線下第七課開(kāi)講，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽(yáng)從溫度定義的起源延伸到熱力學(xué)第一定律，再?gòu)臒崮芾寐实臉O限引入熱力學(xué)第二定律，然后定義出熱力學(xué)溫標(biāo)以及作為狀態(tài)函數(shù)的熵，最后借助熱力學(xué)第二定律以及理想氣體的壓強(qiáng)與內(nèi)能關(guān)系推導(dǎo)出理想氣體狀態(tài)方程，從而證明了熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)的一致性。

熱的平衡、轉(zhuǎn)移與做功 溫度的定義與能量守恒

本次線下課一開(kāi)始，張朝陽(yáng)先介紹了熱力學(xué)第零定律，本質(zhì)上是熱平衡關(guān)系的傳遞性。假設(shè)系統(tǒng)A與系統(tǒng)C達(dá)到了熱平衡，系統(tǒng)B也與系統(tǒng)C達(dá)到了熱平衡，那么有系統(tǒng)A與系統(tǒng)B也滿足熱平衡關(guān)系，這就是熱力學(xué)第零定律。既然系統(tǒng)之間可以存在熱平衡，那么必然存在用來(lái)描述熱平衡的參數(shù)，物理上把這個(gè)參數(shù)稱為溫度。根據(jù)理想氣體的經(jīng)驗(yàn)定律，可以定義溫標(biāo)使得理想氣體的狀態(tài)方程為PV=NkT，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，T是理想氣體溫標(biāo)下的溫度。

介紹完熱力學(xué)第零定律與理想氣體溫標(biāo)后，張朝陽(yáng)對(duì)熱力學(xué)第一定律進(jìn)行解釋。熱力學(xué)第一定律本質(zhì)上是一個(gè)能量守恒定律。熱量本質(zhì)上是一種能量，熱力學(xué)第一定律指的是系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于傳入系統(tǒng)的熱量減去系統(tǒng)對(duì)外做的功，這表示能量是守恒的。

熱力學(xué)第二定律 開(kāi)氏與克氏表述

熱力學(xué)第一定律表明了能量守恒定律的普適性，那么能否把環(huán)境中的熱量轉(zhuǎn)化成我們需要的能量形式呢？如果可以，那么人類將獲得源源不斷的能源，而且不違反熱力學(xué)第一定律。然而，把熱量轉(zhuǎn)化成有用的功是有極限的，這也就是熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。

張朝陽(yáng)介紹說(shuō)，熱力學(xué)第二定律存在很多種表述，其中比較著名的有克勞修斯表述和開(kāi)爾文表述。克勞修斯表述是，“不能把熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響”；而開(kāi)爾文表述是，“不能從單一熱源吸熱使這些熱量變成有用功而不產(chǎn)生別的影響”。

假如有兩個(gè)熱源，一個(gè)是高溫?zé)嵩?，另一個(gè)是低溫?zé)嵩?。熱機(jī)從高溫?zé)嵩次鼰?，然后轉(zhuǎn)化成能量，并釋放一部分熱量到低溫?zé)嵩础＿@個(gè)熱機(jī)的效率是存在上限的。借助可逆熱機(jī)以及熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述，可以證明可逆熱機(jī)的效率是最大的。

兩種溫標(biāo)的等價(jià)性 可逆熱機(jī)效率、理想氣體熵增

工作于兩個(gè)熱源之間的可逆熱機(jī)的效率只與熱源的溫度有關(guān)，而與可逆熱機(jī)的內(nèi)部原理無(wú)關(guān)。根據(jù)這個(gè)性質(zhì)，張朝陽(yáng)證明了存在一個(gè)熱力學(xué)溫標(biāo)，使得工作在溫度為T(mén)1的高溫?zé)嵩磁c溫度為T(mén)2的低溫?zé)嵩粗g的可逆熱機(jī)，其效率為1-T2/T1。借助可逆熱機(jī)，熱力學(xué)溫標(biāo)只能確定到相差一個(gè)常數(shù)的程度。

接著通過(guò)用一系列無(wú)窮小的卡諾循環(huán)逼近任意一個(gè)可逆循環(huán)過(guò)程，可以證明，對(duì)于連接狀態(tài)A與狀態(tài)B的任意路徑，dQ/T的積分都是固定值。根據(jù)這一點(diǎn)，引入了狀態(tài)函數(shù)S，也就是人們常說(shuō)的熵。熵的改變量等于dQ/T的積分只對(duì)可逆過(guò)程適用，對(duì)于不可逆過(guò)程是不適用的。不過(guò)，由于熵是狀態(tài)函數(shù)，可以借助可逆過(guò)程連接特定的兩個(gè)狀態(tài)來(lái)求出不可逆過(guò)程導(dǎo)致的熵的改變量。

以理想氣體自由膨脹為例，可用等溫膨脹過(guò)程來(lái)連接自由膨脹的初末狀態(tài)，從而計(jì)算出了理想氣體自由膨脹的熵增量。得到了這個(gè)熵增量之后，分析狀態(tài)數(shù)與熵的關(guān)系，通過(guò)狀態(tài)數(shù)的改變可以得到同樣的熵增公式。

隨后，張朝陽(yáng)開(kāi)始證明熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)的等價(jià)性。他先闡述了理想氣體的性質(zhì)，一是理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，二是由理想氣體分子動(dòng)理論導(dǎo)出的壓強(qiáng)正比于分子平均動(dòng)能公式。根據(jù)這兩個(gè)關(guān)系，借助熱力學(xué)溫標(biāo)與熱力學(xué)第二定律，可推導(dǎo)得到了理想氣體狀態(tài)方程，從而證明了熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)的等價(jià)性。

“溫室效應(yīng)”原理與影響 “碳手印”助力千行百業(yè)節(jié)能減排

最后，張朝陽(yáng)介紹了一下溫室效應(yīng)的原理。太陽(yáng)光近似是溫度為5800開(kāi)爾文的黑體所輻射出來(lái)的光，其中作為主體的可見(jiàn)光部分能夠輕易穿透大氣層。太陽(yáng)光到達(dá)地面后有一部分會(huì)被反射出去，剩余的則會(huì)被地球吸收。地球表面溫度大約是20-50攝氏度，因此地球也會(huì)向外輻射，只是輻射的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，這些輻射對(duì)大氣中的二氧化碳等溫室氣體來(lái)說(shuō)不是透明的，從而會(huì)導(dǎo)致地球無(wú)法有效地散熱，這就是溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)可以保證地球晝夜溫差不會(huì)太大，但是如果溫室氣體過(guò)多，就會(huì)使得地球無(wú)法有效散熱，從而造成地球氣溫過(guò)高。

近幾年，可以明顯感受到由于氣溫過(guò)高而導(dǎo)致的生態(tài)平衡問(wèn)題，溫室氣體的大量排放已經(jīng)亟待解決。華為運(yùn)營(yíng)商BG CMO宋曉迪博士在《物理課》現(xiàn)場(chǎng)表示，ICT行業(yè)不斷追求更快的網(wǎng)絡(luò)通信速度、更大的信息交互帶寬、更少的溫室氣體排放，這恰恰是物理學(xué)基本原理在信息通訊行業(yè)中的體現(xiàn)。華為持續(xù)努力提升通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在運(yùn)行使用中的能效，減少碳排放。

持續(xù)不斷地追求“更多的比特，更少的瓦特”，這是實(shí)現(xiàn)ICT行業(yè)綠色發(fā)展最有效的途徑之一。而且根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的觀點(diǎn)，現(xiàn)有ICT基礎(chǔ)設(shè)施的能效提升，可以支撐ICT行業(yè)未來(lái)減少約40%的碳排放總量。

宋曉迪同時(shí)表示：根據(jù)環(huán)保行業(yè)組織GeSI最新研究顯示，ICT技術(shù)可以幫助其他行業(yè)大幅減少碳排放量。預(yù)計(jì)在2030年，ICT技術(shù)可以幫助全球降低20%的二氧化碳排放，是ICT自身碳排放量的10倍。這一使能效應(yīng)已經(jīng)在鋼鐵、水泥、農(nóng)業(yè)、航空等行業(yè)出現(xiàn)。

宋曉迪最后強(qiáng)調(diào)，在ICT行業(yè)“碳手印”的使能作用下，我們相信綠色與發(fā)展將不再是矛盾，“綠色”將為發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇，發(fā)展又將為我們點(diǎn)亮更為“綠色”的未來(lái)。

物理課風(fēng)格獨(dú)特注重推導(dǎo) 每周五、周日搜狐視頻直播

截至目前，《張朝陽(yáng)的物理課》已直播七十余期，內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛，理論公式由淺入深、繁簡(jiǎn)交融。從去年11月開(kāi)啟第一節(jié)物理直播課，他先是從經(jīng)典物理學(xué)開(kāi)始，科普了牛頓運(yùn)動(dòng)定律等；而后從經(jīng)典物理的“兩朵烏云”說(shuō)起，向近現(xiàn)代物理過(guò)渡，探討了黑體輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識(shí)。

此后逐步進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域，從基礎(chǔ)的薛定諤方程等理論內(nèi)容，到氫原子波函數(shù)，再到氣體定容比熱的溫度階梯，并順勢(shì)講解了熱力學(xué)定律。接著回到了經(jīng)典物理，推導(dǎo)出飛船運(yùn)行軌跡，估算太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及中子星的自轉(zhuǎn)速度，隨后講解了陀螺的進(jìn)動(dòng)，還計(jì)算出月球的潮汐高度?，F(xiàn)在逐漸開(kāi)始使用一些新的數(shù)學(xué)工具分析狹義相對(duì)論，為進(jìn)一步講解廣義相對(duì)論做準(zhǔn)備。

《張朝陽(yáng)的物理課》的直播風(fēng)格獨(dú)樹(shù)一幟：注重推導(dǎo)，通過(guò)一步一步詳盡的數(shù)學(xué)計(jì)算，推導(dǎo)出相關(guān)的物理公式，把每個(gè)公式從頭到尾拆解得十分清晰。

據(jù)了解，《張朝陽(yáng)的物理課》于每周周五、周日中午12時(shí)在搜狐視頻直播，網(wǎng)友可以在搜狐視頻“關(guān)注流”中搜索“張朝陽(yáng)”，觀看直播及往期完整視頻回放；關(guān)注“張朝陽(yáng)的物理課”賬號(hào)，查看課程中的“知識(shí)點(diǎn)”短視頻；此外，還可以在搜狐新聞APP的“搜狐科技”賬號(hào)上，閱覽每期物理課程的詳細(xì)文章。