热力学第一、第二定律论文

热力学第一定律和第二定律是科学界公认的宇宙普遍规律。

热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。

热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。

二十世纪初爱因斯坦发现能量和质量可以互变后，此定律改为能质守恒定律。

通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。

根据普遍的能量守恒定律，系统由初态I经过任意过程到达终态II后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ＝ΔU＝Q－A或Q＝ΔU＋A这就是热力学第一定律的表达式。

如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU＝Q－A＋Z。

当然，上述ΔU、A、Q、Z均可正可负。

对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为dQ＝dU＋dA因U是状态函数，dU是全微分；Q、A是过程量，dQ和dA只表示微小量并非全微分，用符号d以示区别。

又因ΔU或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。

热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。

这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。

显然，第一类永动机违背能量守恒定律。

热力学第二定律是描述热量的传递方向的：分子有规则运动的机
械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能。

热力学第二定律体现了客观世界时间的单方向性, 这也正是热学的特殊性所在。

1824年法国工程师萨迪卡诺提出了卡诺定理，德国人克劳修斯和法国人开尔文在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，即热力学第二定律。

他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。

开尔文的表述是，不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响，表达的是能量和功之间转换的单向性；克劳修斯的表述是，热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物，表达的是内能之间传递的单向性；这两种表述其效果都是一样的，也就是能量传递和转换的单向性（用熵来表述，就是孤立系统，也就是与外界完全隔离的系统，其熵值是要增大的）。

克劳修斯表述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。

开尔文表述指出了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。

热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。

人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。

它并
不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。

有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。

但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的。

从分子运动论的观点看，作功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。

显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。

一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，从此可见热是不可能自发地变成功的。

热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程，而不适用于少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。

第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明:
可逆绝热过程S1=S2，不可逆绝热过程S1>S2；
式中S1和S2分别为系统的最终和最初的熵。

也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可
逆过程，系统的熵总是增加的。

这个规律叫做熵增加原理。

这也是热力学第二定律的又一种表述。

熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。

热力学第二定律告诉我们，宇宙不是在进化，乃是在退化之中。

曾长期在美国西北大学执教的物理学家贝克博士指出，“我们的宇宙中熵值有增高的倾向”，“我们有充分的理由相信，宇宙象一个发条逐渐慢下来的大时钟”。

诚然，我们也可以观察到一些暂时逆热力学的自然现象，如生命现象。

动、植物由受精卵开始，从简到繁、从不分化到分化，最后成为一完整的动物或植株。

之所以说“暂时”，是因为这些动、植物最后也要衰老和、死亡和解体。

第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：
1、该系统是线性的；
2、该系统全部是各向同性的。

另外有部分推论很有意思：比如热辐射：恒温黑体腔内任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。

热力学第二定律与时间的单方向性。

所有不涉及热现象的物理规律均时间反演对称, 它们没有对时间的方向作出规定。

所谓时间反演, 通俗地讲就是时光倒流；而物理定律时间反演对称则指, 经过时间反演后, 该定律依然成立。

以牛顿定律为例, 它是时间反演对称的。

不妨考察自由落体运
动：一物体由静止开始, 在重力作用下自由下落, 其初速度V(0)=0, 加速度a=g, 设其末速度为V(t), 下落高度为h. 现进行时间反演, 则有其初速度V'(0)=-V(t), 加速度a'=g, 末速度V'(t)=V(0), 上升高度为h, 易证这依然满足牛顿定律。

但热现象则不同, 一杯水初始温度等于室温, 为T0, 放在点燃酒精灯上, 从酒精灯火焰吸收热量Q后温度为Tt。

现进行时间反演, 则是水的初温为T'(0)=T(t), 放在点燃酒精灯上, 放出热量Q给酒精灯火焰, 自身温度降为T'(t)=T(0)。

显然这违背了热力学第二定律关于热量只能从高温物体传向低温物体的陈述。

故热力学第二定律禁止时间反演。

在第一个例子中, 如果考虑到空气阻力, 时间反演后也会与理论相悖, 原因在于空气阻力做功产生了热。

第一定律和第二定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。

第一定律是能量守恒，能量不能自生也不能自灭，只是通过不同形式在转化而已，第二定律说明热能不可能自发的由温度低的物体传向温度高的物体，并且在热转化为功的同时不产生其他影响。

前者描述能量存在的规则；后者描述能量转换的规则。