浅谈热力学第一和第二定律

论热力学第一和第二定律

内容提要：热力学第一和第二定律是热力学的最基本最重要的理论基础，其中热力学第一定律从数量上描述了热能与机械能相互转换时数量的关系。热力学第二定律从质量上说明热能与机械能之间的差别，指出能量转换是时条件和方向性。在工程上它们都有很强的指导意义。

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热现象是人类最早接触的自然现象之一。从钻木取火开始，人类对热的利用和认识经历了漫长的岁月，直到近三百年，人类对热的认识才逐步形成一门科学。

在十八世纪初期，由于煤矿开采工业对动力抽水机的需求，最初在英国出现了带动往复水泵的原始蒸汽机。后来随着工业的发展，随着对动力得更高要求，人们不断改进蒸汽机，从而导致蒸汽机效率的不断提高。特别是1763~1784年间英国人瓦特对当时的原始蒸汽机作出的重大改进，这次改进直接推动了工业革命，是人类的生产力水平得到很大提高。

随着蒸汽机的广泛应用，如何进一步提高蒸汽机效率的问题变的日益重要。这样就促使人们人们对提高蒸汽机热效率、热功转换的规律等问题的深入研究，从而推动了热力学的发展，其中热力学第一和第二定律便在这种发展中产生。

热力学第一定律：热力学的基本定律之一。是能的转化与守恒定律在热力学中的表现。它指出热是物质运动的一种形式，并表明，一个体系内能增加的量值△E（=E末-E初）等于这一体系所吸收的热量Q与外界对它所做的功之和，可表示为△E＝W＋Q 。

对热力学第一定律应从广义上理解，应把系统内能的变化看作是系统所含的一切能量（如化学的、热的、电磁的、原子核的、场的能量等）的变化，而所作的功是各种形式的功，如此理解后，热力学第一定律就成了能量转换和守恒定律。在1885年，恩格斯把这个原理改述为“能量转化与守恒定律”，从而准确而深刻地反映了这一定律的本质内容。

同时热力学第一定律也可表述为：第一类永动机是不可能制造的。在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械, 这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论，这种不需要外界提供能量的永动机称为“第一类永动机”。根据热力学第一定律这种装置显然无法制成。

热力学第二定律：热力学的又一基本定律。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总结。自热力学第一定律被发现以后，人们注意到许多自行发生的过程都是单方向的，例如热量从高温物体传到低温物体，水由高处向低处流动，气体的扩散与混合，其反向自行发生的过程虽然没有违反第一定律，却从来还没有发现过，可见除了第一定律外，必定还有其他的定则在限制这些过程的发生方向。克劳修斯、开尔文等人，从将热转变为功时遇到的经验归纳成热力学第二定律。它的表述有很多，比较有代表性的有以下两种表述方式：

克劳修斯表述法：不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。

开尔文表述法：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其它影响。

从克劳修斯的表述中知道：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，这个转变过程是不可逆的。若想让热传递方向逆转，则必须消耗功（即引起了其它变化）才能实现。开尔文表述中的“单一热源”是指温度均匀并且恒定不变的热源；“其他影响”指除了由单一热源吸热，把所吸的热用来作功以外的任何其他变化。若有其他影响产生时，把由单一热源吸来的热量全部用来对外作功是可能的。自然界中任何形式的能都可能转变成热，但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，这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机在运行过程中，可连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。

热力学第二定律还有第三种表述（普朗克表述）：不可能制造第二类永动机。什么是普朗克表述中的“第二类永动机”呢？在人们认识了能的转化和守恒定律后，制造永动机的梦想并没有停止下来。不少人开始企图从单一热源（比如从空气、海洋）吸收能量，并用来做功。将热转变成功，并没有违背能量守恒，如果能够实现，人类就将有了差不多取之不尽的能源，这种机械被人们称为第二类永动机。但所有的实验都失败了，因为这违背了自然界的另一条基本规律：热力学第二定律。

热力学第二定律对工程实践有着重要的指导意义。例如：有些简单过程进行的方向很容易看出来，但是很多比较复杂的过程，如一些化学反应，要直接预测它们进行的方向是很困难的。这时可以通过计算孤立系的熵的变化来预测；热力学第二定律揭示了一切实际过程都具有不可逆性。从能量利用的角度来看，不可逆意味着能量的贬值、可用能和功的损失。掌握能量贬值的规律性便可避免一些不必要的能量损失，从而达到节约能源的目的。

统计学现在已经发展成一门比较成熟学科，其在量子物理等诸多方面都有十分重大的作用。统计学在工程热力学分析和研究中已经发挥了很重要的作用。例如：从分子运动论的观点看，热运动是大量分子的无规则运动，而作功则是大量分子的有规则的运动。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。由此可见热是不可能自发地变成功的，这就是热

力学第二定律的统计意义。

工程热力学的研究方法固然重要，但俗话说的好“态度决定一切”真正决定我们研究成果高低的是我们的思维方式。作为工科学生我们在工程热力学的研究和学习过程中要注重自身的思维方式的培养。我们在以后的研究和学习中要注意以下几点：

首先，基础研究非常重要，打好基础对人的一生成长、成就至关重要，同时我们也要注意知识的广度和交叉性。当今科学发展的速度超过以往任何时代，各个学科之间越来越密切，工程热力学的研究在计算机和各种更加精密的设备的发展带动下对工程的指导意义更强，我们一定要在适应这种发展的过程中提高自身个方面能力。

其次，我们要有一定的哲学和辩证唯物法的观点，在以后的研究过程中一定不要出现与自然界的基本规律相矛盾的课题。正如前文所说从古到今很多优秀的人才为永动机等不可实现的东西耗费了大量的时间和精力，有的甚至是毕生的，但最后一无所获，这一点我是深有体会，因为中学阶段我也曾构思和制造过永动机。这就是对哲学和大自然的一般规律无知的后果。学好哲学能够从战略上指导我们对工程热力学以及其他学科的研究。

再次，我们要注重经验而不迷信权威，注重理论而不依赖理论。经验是我们的祖先通过世代的所积累的，有些可能没有理论依据，但它来源于生活有着不可否认的正确性，在我们工程热力学中有着大量经验，半经验公式，它们将是是我们以后解决工程实际问题的一把利剑。工程热力学的几大定律在某种程度上其实也是人们在一定经验的积累后所总结才得到的。同时理论对实际的研究有着十分重要的指导意义，我们决不能忽视理论的学习，但也不能过于依赖，否则就是纸上谈兵，我们要相信经过实践检验的理论。

最后，我们要注意观察，注意自身动手能力的提高，培养自己的创新思维。在日出日落、点火、呼吸、吃饭等日常生活现象中，工程热力学的知识是无处不在。只要我们注意观察、勤于思考创意的火花就会像“苹果落地”一样在我们的脑海中震荡一番，然后一个像牛顿定律一样的理论可能由此诞生。但我们决不能忽视实验，因为实践是检验真理的唯一标准，只有经的起实践推敲的理论和思想才能最终为世人所接受。