熱力學(xué)定律及其內(nèi)涵分析

湯維亞

【摘要】研究物質(zhì)的熱性質(zhì)及熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，就是熱力學(xué)。到目前為止，熱現(xiàn)象的宏觀理論產(chǎn)生的基礎(chǔ)，一直是熱力學(xué)四大定律，可以說熱力學(xué)四大定律的發(fā)現(xiàn)，是熱力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要前提。

【關(guān)鍵詞】熱力學(xué) 定律 內(nèi)涵

【中圖分類號】O414.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）01-0148-02

熱力學(xué)是伴隨著人們的生產(chǎn)生活而發(fā)展起來的，從十六世紀(jì)末到十七世紀(jì)初，伽利略制作出了人類史上第一個(gè)空氣溫度計(jì)，到第一次工業(yè)革命有了蒸氣機(jī)，第二次工業(yè)革命內(nèi)然機(jī)的出現(xiàn)，都是熱力學(xué)發(fā)展進(jìn)步的證明。熱力學(xué)發(fā)展到今天，軍事國防、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品保鮮等各個(gè)行業(yè)的發(fā)展，都離不開熱力學(xué)理論。在熱力學(xué)發(fā)展的過程中，人們總結(jié)出了熱力學(xué)四大定律，這是熱力學(xué)發(fā)展和進(jìn)步的前提。

一、熱第學(xué)第零定律

凡是與冷熱變化密切相關(guān)的熱效應(yīng)或熱現(xiàn)象，都是熱力學(xué)研究的內(nèi)容。在熱力學(xué)的研究中，溫度是熱力學(xué)特有的宏觀狀態(tài)參量，最能直接表達(dá)出系統(tǒng)冷熱的具體狀態(tài)。

熱力學(xué)第零定律也叫熱平衡定律，其內(nèi)容是：如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的同一熱狀態(tài)處于熱平衡，則這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)彼此也必定處于熱平衡?；跓崃W(xué)第零定律這一理念，為溫度概念的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。溫度是表征處于同一熱平衡的系統(tǒng)所具有的共同宏觀性質(zhì)的物理量，而這一概念成立的前提，正是熱力學(xué)第零定律所反映出的熱力學(xué)現(xiàn)象，即所有處于同一熱平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)，都具有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)。

二、熱力學(xué)第一定律

分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量，使物體有了溫度，而組成物體分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子間相互作用勢能的總和，被稱為內(nèi)能。內(nèi)能是表達(dá)物質(zhì)熱量的一種能量狀態(tài)，也是熱力學(xué)系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容。在熱力學(xué)系統(tǒng)中，想要改變熱量的能量狀態(tài)有兩種方式，即做功和熱傳遞。不論是做功還是熱傳遞，都是熱量的轉(zhuǎn)化形式，而熱力學(xué)第一定律，就是針對熱量轉(zhuǎn)化的科學(xué)定律。

熱力學(xué)是表達(dá)不同形式的能量在傳遞與轉(zhuǎn)換過程中的守恒定律，其概念是：熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為：Q=△U+W。

熱力學(xué)第一定律的確立，經(jīng)過了長期的生產(chǎn)實(shí)踐和大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，直到十九世紀(jì)中期，才以科學(xué)定律的形式確立起來。熱力學(xué)第一定律研究內(nèi)容是能量守恒和轉(zhuǎn)化，即熱量的轉(zhuǎn)移和改變。

三、熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第一定律是自然界一切熱現(xiàn)象發(fā)生過程的原則，既轉(zhuǎn)換關(guān)系，但熱力學(xué)第一定律除了指出能量守恒外，并沒有對熱現(xiàn)象發(fā)生過程給出更多的限制，既轉(zhuǎn)換條件。而這些問題，就由熱力學(xué)第二定律來解決。

在對熱機(jī)效率的研究中，人們發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律。對于熱力學(xué)第二定律，德國人克勞修斯和英國人開爾文分別提出了原始表述。經(jīng)過不斷的研究和整理，現(xiàn)如今對熱力學(xué)第二定律的表述為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。因此這條定律又稱為“熵增定律”，它表明了在自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度（即“熵”）不會減小。

四、熱力學(xué)第三定律

熱力學(xué)第三定律是對“熵”的論述，其表述為：一般當(dāng)封閉系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，熵應(yīng)該為最大值，在任何自發(fā)過程中，熵總是增加，在絕熱可逆過程中，熵增等于零。定律為：在絕對零度，任何完美晶體的熵為零；或不可能利用有限的操作使一物體冷卻到熱力學(xué)溫度的零度，此種表述可簡稱為絕對零度不可能達(dá)到原理。

熱力學(xué)第三定律是在對低溫現(xiàn)象的研究中總結(jié)出來的，它能應(yīng)用于兩種情況，即穩(wěn)定的平衡態(tài)和亞穩(wěn)定的平衡態(tài)，是應(yīng)用非常普遍的熱力學(xué)定律。

熱現(xiàn)象不僅存在于人們的日常生產(chǎn)和生活中，自然界中也存在大量的熱現(xiàn)象，而一切熱現(xiàn)象的發(fā)生，其過程都遵從熱力學(xué)四大定律，因此想要深入研究熱力學(xué)，就必須理解熱力學(xué)四大定律。熱力學(xué)四大定律分別在不同的角度對自然界中的熱現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，是熱力學(xué)研究中非常重要的定律。熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)；而熱力學(xué)第一定律卻揭示了能量在轉(zhuǎn)換的過程中遵循守恒定律；熱力學(xué)第二定律揭示了能量變化遵循的客觀規(guī)律及條件，直接證明了永動(dòng)機(jī)不可能制成；熱力學(xué)第三定律則指出了溫度趨于絕對零度時(shí)，物質(zhì)所表現(xiàn)出的極限性質(zhì)，是人類探索低溫世界的前提和基礎(chǔ)。

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