物理群星
1906 热学与统计

热力学第三定律

Third Law of Thermodynamics

化学家想只凭反应热算出反应能走多远,能斯特 1906 年补上了缺的那一条:凝聚态物质的反应,ΔG\Delta G 与 ΔH\Delta H 两条曲线在绝对零度附近相切。为了验证它而测的低温比热,意外成了量子论最早的实验证据。

当时的困境

十九世纪中叶,热化学家手里有一把看上去很称手的尺子。丹麦的 Julius Thomsen 与法国的贝特洛各自主张:一个化学反应放出的热,就是推动它的「化学亲和力」的量度——放热越多,反应越想进行,吸热的反应不会自发发生。后人把这叫作汤姆森-贝特洛原则。贝特洛 1879 年把它写进两卷本的《以热化学为基础的化学力学》,称为「最大功原理」。

它在很多场合确实管用,所以难以推翻;但反例越积越多。冰在零度以上吸热融化,一些盐吸热溶解,不少反应升温后自己掉头。热力学给出了原因:决定方向的不是反应热 ΔH\Delta H,而是自由能

ΔG=ΔH−TΔS\Delta G = \Delta H - T\Delta S

亥姆霍兹 1882 年写出了两者之间的严格关系,吉布斯更早也有同样的框架。能斯特 1906 年那篇论文的开头就从这里说起:贝特洛「相信找到了一个非常简单的解答,把两个量等同起来」,而一旦能从化学平衡和可逆电池的电动势两条路测出最大功,就发现它与热化学测出的反应热并不一致。

麻烦在于,热力学的两条定律只给出 ΔG\Delta G 随温度怎样变,

ΔH=ΔG−T∂ΔG∂T\Delta H = \Delta G - T\frac{\partial \Delta G}{\partial T}

却定不下 ΔG\Delta G 本身。能斯特在论文里点明了这一点:如果 ΔG=f(T)\Delta G = f(T) 满足这条方程,那么 f(T)+BTf(T) + BT 也满足,BB 可以是任何常数。积分常数 BB 其实就是反应的熵变,而熵变没法只从量热数据里读出来。于是化学家有了一大堆反应热的表格,却算不出一个平衡常数,每个反应都得去实测平衡。

洞见时刻

1905 年 12 月 23 日,刚接下柏林教职的能斯特回到哥廷根,向哥廷根科学会提交了四十页的《由热测量计算化学平衡》,次年刊出。

据他在论文里的交代,线索来自电池:凡是参与反应的只有固体和很浓的溶液的电池,最大功与反应热的差别都出奇地小。他由此猜想,对于纯的固体和液体之间的反应,两者在绝对零度附近会完全重合——而且不只是数值重合,随温度的变化率也一起趋于零:

lim⁡T→0∂ΔG∂T=lim⁡T→0∂ΔH∂T=0\lim_{T\to 0}\frac{\partial \Delta G}{\partial T} = \lim_{T\to 0}\frac{\partial \Delta H}{\partial T} = 0

十五年后他在诺贝尔演讲里这样概括:化学亲和力与反应热在低温下总是变得相同,「不是在绝对零度处相交」,而是在到达零度之前一段距离就已经实际上相同,两条曲线在零度附近彼此相切。

由上面第二条关系,∂ΔG/∂T=−ΔS\partial \Delta G/\partial T = -\Delta S,所以「相切」等于说凝聚态物质之间反应的熵变在绝对零度趋于零。积分常数就这样被钉死了。剩下的只是测量:把参与反应的各物质的比热一路测到很低的温度,就能积出熵,再由 ΔG=−RTln⁡K\Delta G = -RT\ln K 算出平衡常数。贝特洛原则为什么常常对也有了交代:放热很多、温度又不太高时,比热带来的修正相对很小;像熔化这种放热很少的过程,它就完全失效。

能斯特自己称之为「新热定理」(1918 年那本专著的书名就是《新热定理的理论与实验基础》),「热力学第三定律」这个名字是后来才通行的。

为了验证而测的比热,成了量子论的证据。 热定理有一个立刻可检验的推论:固体的比热在低温下必须趋于零。道理很直接——熵是 ∫C/T dT\int C/T\,\mathrm{d}T,若比热像经典的能量均分所说的那样保持常数,这个积分在零度附近会发散。可在 1905 年,几乎没有人测过液态空气以下的比热。

能斯特于是让柏林的研究所专攻低温量热。1910 年 3 月 3 日,他与 Koref、林德曼在普鲁士科学院报告了第一批结果,1911 年又用自建的小型氢液化器把温度往下推。据他后来的诺贝尔演讲,研究所为验证热定理做了一百多项实验研究。数据很清楚:银、铜、铅、金刚石的比热都在往下掉。

这正是爱因斯坦 1907 年用量子化振子预言过的行为。据《科学传记辞典》能斯特条目,1910 年 3 月能斯特专程到苏黎世,与爱因斯坦讨论他的理论与柏林实验符合到什么程度;此后能斯特公开把低温比热当作量子论的证据。一位化学家为了给一条化学平衡的定理找证据,替当时少有人响应的量子比热理论提供了第一批系统数据——站内固体比热与声子一页讲的正是这条线索的另一端。

数据同时显示爱因斯坦的曲线掉得太快。1911 年能斯特与林德曼凑出半经验公式,1912 年德拜用晶体的整个振动谱给出低温下的 T3T^{3} 律。对热定理而言,德拜定律的用处很实际:只要比热测到进入 T3T^{3} 区,余下那一小段就能放心地外推到零度。能斯特在诺贝尔演讲里说,德拜「在我的实验结果的基础上」得出了它,随后他的实验室在许多物质上确证了它。

普朗克:熵本身为零。 能斯特的定理说的是反应前后熵的差在零度趋于零。普朗克走得更远。据他 1911 年 12 月 16 日在德国化学会的演讲(次年刊于《德国化学会会刊》),更强的说法是:

凝聚(即固体或液体)的化学均一物质,其熵在绝对温度零点的值为零。

熵的差为零,只意味着所有物质在零度的熵可以取同一个常数;普朗克把这个常数定为零,让熵有了绝对值。他在同一篇演讲里把这一条接到玻尔兹曼的 S=kln⁡WS = k\ln W 上,认为它说明「基本概率区域」有一个完全确定的大小——这正是量子论的内容。据《科学传记辞典》,普朗克 1910 年已提出这种形式,此后教科书里的第三定律多半用它的样子写。

注意他的原文包括液体。后来的测量会在这一点上出问题。

1912 年:到不了的零度。 1912 年 2 月 1 日,能斯特在普鲁士科学院提交《热力学与比热》,给出了第三种说法:不可能用有限的步骤把一个物体冷却到绝对零度。

直观的图像是:制冷靠的是在两种状态之间来回切换(比如加磁场、去磁场),每一步利用两种状态的熵差。如果两种状态的熵在零度处汇到一起,越接近零度,每一步能拿走的熵就越少,步数于是趋于无穷。

这条「不可达原理」后来成了第三定律最常被引用的形式,但能斯特从它推回热定理的论证当时就有人不服。据《科学传记辞典》,爱因斯坦 1913 年提出质疑:理想实验只要原则上可行就够了,不必实际做得到,而能斯特的论证恰恰依赖「做不到」;两人各执一词。据 Kox 2006 年的研究,1911 到 1916 年间爱因斯坦在书信和讨论里对热定理屡有质疑,对厘清它的适用范围起了重要作用。

涟漪效应

反例与修正。 普朗克的强表述很快撞上了例外。Lewis 与 G. E. Gibson 1920 年指出,溶液和液体不该适用熵为零的说法;1923 年 Gibson 与 Giauque 测了甘油的晶体与玻璃态,发现玻璃在零度附近的熵比晶体高;1926 年 F. Simon 与 Lange 用同样的甘油得出同样的结论。能斯特本人在 1921 年的诺贝尔演讲里立场正相反:他认为原则上每种液体都能连续冷却到零度而不突变,热定理对过冷液体照样适用,「我今天仍认为这完全无可争辩」,只是玻璃要等到液氦温度才能检验。

更微妙的例外出在看起来完美的晶体上。1933 年 Giauque 与 Ashley 发现冰的量热熵比光谱数据算出的少了一截;鲍林 1935 年给出解释:冰里每个氧原子周围四个氢,两近两远,规则只约束局部,全晶体仍有大量排法。他估算每个水分子约有 3/23/2 种选择,于是冰在零度还剩下

S0=Rln⁡32≈3.4 J/(mol⋅K)S_0 = R\ln\frac{3}{2} \approx 3.4\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}

的「剩余熵」。1936 年 Giauque 与 Stout 用更精细的量热测得 0.82±0.050.82 \pm 0.05 卡每摩尔每开,与鲍林的 0.806 相符;1966 年 Nagle 用级数展开把每分子的选择数修正为约 1.5069。Clayton 与 Giauque 1932 年测得的一氧化碳晶体也有类似的剩余熵,通常归因于分子头尾取向的随机。

这些例外最后在统计力学里得到统一的解释。按 S=kBln⁡WS = k_B\ln W,零度的熵由基态有多少种微观状态决定:若基态简并度是 g0g_0,则 S(0)=kBln⁡g0S(0) = k_B\ln g_0。只要 g0g_0 不随粒子数指数增长,每摩尔的熵就趋于零;冰的 W≈(3/2)NW \approx (3/2)^N 是指数增长,所以留下宏观的熵。玻璃则根本没到平衡——降温时结构被「冻住」了。F. Simon 在 1930 与 1937 年的总结里把第三定律限定在处于内部平衡的部分,「完美晶体在绝对零度的熵为零」这种今天常见的写法,则可追溯到 Lewis 与 Gibson 1920 年的那篇论文。

化学平衡由热数据计算。 这是能斯特原本的目标,也成了最持久的遗产。今天各种手册里的「标准摩尔熵」就是第三定律熵:从尽可能低的温度测比热,用德拜 T3T^{3} 律外推到零,加上相变的熵,一路积分到室温。有了它和生成焓,任何反应的 ΔG∘\Delta G^{\circ} 与平衡常数都能算,不必每个反应去做平衡实验。化工流程设计、冶金相图计算、电池电动势的理论值,走的都是这条路。

低温物理。 不可达原理并没有让人停止往下冷,反而告诉人们怎样冷:每一步利用两种状态的熵差。1926 到 1927 年,德拜与 Giauque 各自提出绝热去磁——先在磁场里让顺磁盐的磁矩排整齐、把热量交给液氦,再绝热撤掉磁场,让磁矩的无序吸走晶格的热。Giauque 与 MacDougall 1933 年用它首次冷到一开以下,Giauque 1949 年因「对化学热力学的贡献,特别是物质在极低温下的行为」获诺贝尔化学奖。此后的核去磁、稀释制冷一路把温度推到毫开乃至更低,今天超导量子比特就工作在稀释制冷机的十几毫开里——但每一台都离零度还有一段,与第三定律说的一样。

如果没有它

热力学的前两条定律仍然成立,自由能、平衡判据、卡诺效率一样不少。缺的是那个积分常数:化学家可以测出反应热,却仍得为每个反应单独测平衡,热数据与化学平衡之间隔着一道算不过去的墙。

量子论也会少一条早期的实验支柱。1910 年前后,量子只在黑体辐射里站得住脚,爱因斯坦的比热理论少有人理会;是能斯特为验证自己的定理而测的低温比热,把量子带进了固体,也促成了 1911 年讨论「辐射理论与量子」的第一届索尔维会议。没有热定理,这批数据迟早也会有人去测,但未必那么早、那么系统。

还有一个问题会晚些才被问出来:零度的熵到底是多少、由什么决定。冰的剩余熵、玻璃的冻结无序、基态简并度,都是在「熵应当为零」这条规定被认真检验时才浮出来的。

至于第三定律算不算一条独立的定律,至今仍有不同看法。Masanes 与 Oppenheim 2017 年从量子动力学的一般假设出发推出了不可达原理,并给出冷却所需时间的下限,把它当作可以证明的结果;Martín-Olalla 2025 年则认为热定理可以单凭第二定律证明,第三条假设只剩下「熵不能为负」;对后者,Xiaohang Chen 等人 2026 年发表评论提出商榷,Martín-Olalla 随后作答。这几方的论文都列在文末。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.能斯特《由热测量计算化学平衡》,《哥廷根皇家科学会通报·数学物理类》1906 年第 1–40 页(1905 年 12 月 23 日会议提交)——热定理的原始论文;链接为该年卷的哥廷根数字化本
  2. 2.J. Thomsen《热化学体系的基本特征》,《物理学年鉴》第 164 卷第 349 页(1853)——反应热即亲和力量度的主张之一
  3. 3.贝特洛《以热化学为基础的化学力学》,两卷(1879);链接为法国国家图书馆数字化的第一卷
  4. 4.T. W. Richards《原子体积变化的意义(三)》,《物理化学杂志》第 42 卷第 129 页(1902)
  5. 5.爱因斯坦《普朗克辐射理论与比热理论》,《物理年鉴》第 22 卷第 180 页(1907)
  6. 6.能斯特、Koref 与林德曼《低温比热研究(一)》,能斯特《低温比热研究(二)》,《普鲁士皇家科学院会议报告》1910 年第 247–261、262–282 页(1910 年 3 月 3 日会议)
  7. 7.能斯特《固体的能量含量》,《物理学年鉴》第 341 卷第 395 页(1911)
  8. 8.普朗克《论新的热力学理论(能斯特热定理与量子假说)》,《德国化学会会刊》第 45 卷第 5 页(1912)——1911 年 12 月 16 日在德国化学会的演讲
  9. 9.能斯特《热力学与比热》,《普鲁士皇家科学院会议报告》1912 年第 134–140 页(1912 年 2 月 1 日会议)——绝对零度不可达的表述
  10. 10.德拜《论比热理论》,《物理年鉴》第 39 卷第 789 页(1912)
  11. 11.能斯特《新热定理的理论与实验基础》,Wilhelm Knapp 出版社(1918)
  12. 12.能斯特《化学热力学研究》,1920 年度诺贝尔化学奖演讲(1921)——「两条曲线相切」「一百多项实验研究」与玻璃问题的原话
  13. 13.G. N. Lewis 与 G. E. Gibson《热力学第三定律与溶液和液体的熵》,《美国化学会志》第 42 卷第 1529 页(1920)
  14. 14.G. E. Gibson 与 Giauque《热力学第三定律:甘油比热表明玻璃在绝对零度的熵高于晶体》,《美国化学会志》第 45 卷第 93 页(1923)
  15. 15.F. Simon 与 F. Lange《论非晶物质的熵》,《物理学杂志》第 38 卷第 227 页(1926)
  16. 16.F. Simon《能斯特热定理二十五年》,《精密自然科学成果》第 9 卷第 222–274 页(1930)
  17. 17.Clayton 与 Giauque《一氧化碳的热容与熵》,《美国化学会志》第 54 卷第 2610 页(1932)
  18. 18.Giauque 与 Ashley《冰在 10 K 的分子转动:水的生成自由能与熵》,《物理评论》第 43 卷第 81 页(1933)
  19. 19.鲍林《冰与其他原子排列带有一定随机性的晶体的结构与熵》,《美国化学会志》第 57 卷第 2680 页(1935)
  20. 20.Giauque 与 Stout《水的熵与热力学第三定律:15 至 273 K 冰的热容》,《美国化学会志》第 58 卷第 1144 页(1936)
  21. 21.Giauque 与 MacDougall《用绝热去磁法获得一开以下的温度》,《美国化学会志》第 57 卷第 1175 页(1935)
  22. 22.F. Simon《论热力学第三定律》,《物理》(Physica)第 4 卷第 1089 页(1937)
  23. 23.Nagle《氢键晶体的格点统计(一):冰的剩余熵》,《数学物理杂志》第 7 卷第 1484 页(1966)
  24. 24.Kox《混乱与澄清:爱因斯坦与能斯特热定理,1911–1916》,《现代物理学史与哲学研究》第 37 卷第 101 页(2006)
  25. 25.Hiebert《能斯特》,《科学传记辞典》(Dictionary of Scientific Biography)能斯特条目——Richards 优先权之争与爱因斯坦 1913 年的质疑
  26. 26.Masanes 与 Oppenheim《热力学第三定律的一般推导与定量化》,《自然·通讯》第 8 卷 14538(2017)
  27. 27.Martín-Olalla《能斯特定理的证明》,《欧洲物理杂志·增刊》第 140 卷 528(2025)
  28. 28.Xiaohang Chen、Yuzhuo Pan、Yinghui Zhou 与 Jincan Chen《评〈能斯特定理的证明〉》,《欧洲物理杂志·增刊》第 141 卷 293(2026);Martín-Olalla 的答复见同刊(2026)