论文对热力学定律的认识

题目：浅谈热力学定律

班级：11物理学本科班

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浅谈热力学定律

1 引言

热物理学是整个物理学理论的四大柱石之一，热力学是热学理论的一个重要组成部分，也就是热现象的宏观理论。热力学主要是从宏观角度出发按能量转化的观点来研究物质的热性质，热现象和热现象所服从的规律。它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，具有高度的可靠性和普遍性，无论是在热力学理论中或在热工技术中，都有重要的作用。

2 热力学第零定律

什么是温度？人们在日常生活中，凭自己的感觉就能判断一个物体是冷还是热。感到热就认为温度高一些，感到冷就认为温度低一些。当然这种感觉是不可靠的。于是人们就简单地建立起了有关温度的初步概念。温度是描述物体冷热程度的物理量。

在不受外界影响的情况下，只要A物体和B物体同时与C物体处于热平衡，即使A和B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态，这种规律称为热平衡定律，也称为热力学第零定律。

热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征——它们的温度是相同的。实验也证实，在外界条件不变的情况下把已经达到热平衡的系统中的各个部分相互分开，是绝不会改变每个部分本身的热平衡状态的.

3 热力学第一定律

热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，能量守恒与转换定律的发现与其他物理规律的发现最大不同之处在于它不是某一位科学家独立研究而提出的，而是由许多科学家在不同的研究领域分别发现的。

自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为- 2 -

- 3 - 另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。根据能量守恒定律，作功是能量转化的量度，不可能无中生有地创造能量，因此热力学第一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外作功的机械）是不能制造出来的。

如果系统经历一个非绝热过程，系统在终态2和初态1的内能之差12U U -就等于在过程中外界对系统所作的功W 与系统从外界吸收的热量Q 之和。可以写成下述形式：

W Q U U +=-12 （1）

这就是热力学第一定律的数学表达式。也就是说，在过程中通过作功和传热两种方式所传递的能量，都转化为系统的内能。

上面说的是有限的过程，如果系统经历一个无穷小的过程，内能的变化为dU ,外界所作的功为dW ,系统从外界吸收的热量为dQ ，则有

dW dQ dU += （2） 2热容和焓

存在温度差时所发生的传热过程中，物体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量称为物体的热容。系统在等体过程中，由于体积不发生变化，所以，系统对外界以及外界对系统都不作功，根据热力学第一定律，我们就知道在等体过程中，吸收的热量等于内能的增量。 因此，我们可得定体热容V V T U C ）（

∂∂= （4） V

T U

）（∂∂表示在体积不变的条件下内能随温度的变化率，对于一般的简单系统，U 是T 、V 的函数，因而V C 也是T 、V 的函数。

在定压过程中，（3）式可改写为)()(pV U Q p +∆=∆,定义函数pV U H +=,称为焓。说明在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增值。这是态函数焓的重要特性。

- 4 - 我们可得到定压热容p

）（T H

C p ∂∂= （5） 对于一般的简单系统，定压热容量是T 、P 的函数。

实际上在实验及工程技术中，焓与定压热容要比内能与定体热容更有重要的实用价值。这是因为地球表面上的物体一般都处在恒定大气压下，而物态变化以及不少的化学反应都是在定压条件下进行的，而且测定定压比热容在实验上也较易于进行。

4 热力学第二定律

1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热量从低温物体传到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律的“克劳修斯表述”。不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响.

开尔文表述和克劳修斯表述分别揭示了功转变为热及热传递的不可逆性。它们是两类不同的现象，它们的表述很不相同，但是却是等价的。他们都是指明了自然界宏观过程的方向性，或不可逆性。克劳修斯的说法是从热传递方向上说的，即热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。这里“不引起其他变化”是很重要的。利用制冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热，即机械能完全转化为内能可以的，在水平地面上运动的木块由于摩擦生热而最终停不来就是一个例子。但反过来，从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的。所谓“单一热源”，是指温度均匀并且保持恒定的热源，如果热源的温度不是均匀的，则可以从温度较高处吸收热量，又向温度较低处放出一部分，这就等于工作在两个热源之间了。

4.2卡诺定理

早在开尔文与克劳修斯建立热力学第二定律前20多年，卡诺在1824年发表的《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》的一本小册子中不仅设想了卡诺循环，而且提出了卡诺定理。

（1）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机其效率都相等，而与工作物质无关。

（2）在相同高温热源和相同低温热源间工作的一切热机中，不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。

若一可逆热机仅从某一温度的热源吸热，也仅向另一温度的热源放热，从而对外做功，那么这部可逆热机必然是由两个等温过程及两个绝热过程所组成的可逆卡诺机。所以卡诺定理中讲的热机就是卡诺热机。

这个理论包含了热力学第二定律的基本内容,阐明了一切可逆热机的效率与工作物质无关,而且要小于100%。如工作物质为理想气体, 它能把从高温热源吸收的热量的一部分转化成机械功,其余的部分仍以热量的形式在低温热源处给外界；在逆循环中, 理想气体把从低温热源吸收的热量传递给了高温热源,同时也把外界对它所作的功转化成热量传递给了高温热源。即热力学系统内部的任何过程都无法自动复原，必须依靠外界施加影响才能实现。这是由于热现象在初态与终态之间存在着重大差异的缘故。这种差异导致了过程进行具有方向性,而不仅仅是满足热力学第一定律就可以实现的过程,说明了一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆]7[

的。

5 热力学第三定律

是否存在降低温度的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的压力将等于零。根据他的计算，这个温度即后来提出的摄氏温标约为-239℃，后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为-270.3℃。他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。他们的这个看法没有得到人们的重视。直到盖-吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认。

1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力学温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限。

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