物理热力学论文

物

理

与

人

文

精

神

——热力学部分

姓名：xx

院系：计算机与通信工程学院

班级：计算机科学与技术

学号：1000010101

摘要：热力学第一定律其实是包括热现象在内的能量转换与守恒定律。热力学第二定律则是指明过程进行的方向与条件的另一基本定律。热力学第三定律也就是绝对零度不能达到原理。热力学所研究的物质宏观性质，特别是气体的性质，经过气体动理论的分析，才能了解其基本性质。气体动理论，经过热力学的研究而得到验证，两者相互补充。人们同时发现，热力学过程包括自发过程和非自发过程，都有明显的单方向性，都是不可逆过程。但从理想的可逆过程入手，引进熵的概念后，就可以从熵的变化来说明实际过程的不可逆性。因此，在热力学中，熵是一个十分重要的概念。

关键词：热力学三大定律卡诺循环熵

实际生活中，不论是哪种运动形态，都只能以热的形式进行耗散，热力学定律适应于各种形态并能给予解释。所以说热力学与我们的实际生活息息相关，借助这次的人文物理选修课，我对热力学的三大定律和熵有了更深的理解。

热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，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。它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。因此它是一种唯一的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。

在一般情况下，当系统状态变化时，作功与传递热量往往是同时存在的。如果有一个系统，外界对它传递的热量为Q，系统从内能为E1的初始平衡状态改变到内能为E2的终末平衡状态，同时系统对外做

功为A,那么，不论过程如何，总有：

Q= E2—E1+A

上式就是热力学第一定律。意义是：外界对系统传递的热量，一部分是系统的内能增加，另一部分是用于系统对外做功。不难看出，热力学第一定律其实是包括热量在内的能量守恒定律。它还指出，作功必须有能量转换而来，很显然第一类永动机违反了热力学第一定律，所以它根本不可能造成的。

物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程称为循环过程，或简称循环。经历一个循环，回到初始状态时，内能没有改变，这是循环过程的重要特征。卡诺循环就是在两个温度恒定的热源（一个高温热源，一个低温热源）之间工作的循环过程。在完成一个循环后，气体的内能回到原值不变。卡诺循环还有以下特征：

●要完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热源：

●卡诺循环的效率只与两个热源的温度有关，高温热源的温度越高，

低温热源的温度越低，卡诺循环效率越大，也就是说当两热源的温度差越大，从高温热源所吸取的热量Q1的利用价值越大。

●卡诺循环的效率总是小于1的（除非T2 =0K）。

那么热机的效率能不能达到100％呢？如果不可能到达100％，最大可能效率又是多少呢？有关这些问题的研究就促进了热力学第二定律的建立。

第一类永动机失败后，人们就设想有没有这种热机：它只从一个

热源吸取热量，并使之全部转变为功，它不需要冷源，也没有释放热量，这种热机叫做第二类永动机。经过无数的尝试证明，第二类永动机同样是一种幻想，也是不可能实现的。就上面介绍的卡诺循环，它也是个理想循环，工作物质从高温热源吸取热量后，经过卡诺循环，总是向低温热源放出一部分的热量，才能回复到初始状态，所以说卡诺循环的效率不可能达到1。

热力学第二定律开尔文叙述是这样的：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全都变为有用的功，而不产生其他影响。从文字上看，热力学第二定律开尔文叙述反映了热功转换的一种特殊规律。1850年，克劳修斯在大量实验的基础上提出了热力学第二定律的另外一种说法：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。要是热量从低温物体传向高温物体，靠自发是不可能的，必须依靠外力作功。克劳修斯的叙述正是反映了热量传递的这种特殊规律。热力学第二定律的两种描述是等价的。

根据热力学第二定律，我们论证了一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。当给定系统处于非平衡状态时，总要发生从非平衡态向平衡态的自发性过渡;反之当系统处于平衡态时,系统却不可能从平衡态向非平衡态过渡。所以我们希望找到一个与平衡状态有关的状态函数，根据这个状态函数单向变化的性质来判断实际过程进行的方向。我们把这个状态函数叫做熵，以S表示。熵是根据热力学第二定律引入的一个新的定义，它在热学理论中占有核心的重要地位。在一个可逆绝热循环中，系统的熵的变化值等于零。但在封闭系统中

发生的任何不可逆过程，都导致了整个系统的熵的增加，系统的熵只有在可逆过程中才是不变的。这个普遍结论叫做熵增加原理。如果把系统和外界作为整个封闭系统考虑，则系统的总熵是不可能减少的。在可逆过程的情况下，总熵保持不变，而在不可逆过程的情况下，总熵一定增加。由于孤立系统内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程，所以熵增加原理也可表为：一个孤立系统的熵永远不会减少。它表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，其熵单调增大，当系统达到平衡态时，熵达到最大值。因此，我们可以根据熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度。也是基于这个原因，我们把熵增加原理看作是热力学第二定律的另一种叙述形式。

在 100 多年后的今天，熵的踪迹已经遍于自然科学、社会科学的各个领域，成为众多学科研究的一个新的焦点。卡诺从理论上论证了热机存在极限和可逆卡诺热机的效率最大，这为改进蒸汽机做出了重大的理论突破，同时为热力学的进一步发展奠定了坚实的基础。

热力学第三定律是独立于热力学第一、二定律之外的一个热力学定律，是研究低温现象而得到的。它的主要内容是奈斯特热定理，或绝对零度不能达到原理。热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。

热力学它在现实社会中扮演着重要的角色，人们也正在更多的把