熱力學定律及其內涵分析

湯維亞

【摘要】研究物質的熱性質及熱運動規律的學科，就是熱力學。到目前為止，熱現象的宏觀理論產生的基礎，一直是熱力學四大定律，可以說熱力學四大定律的發現，是熱力學發展的基礎和重要前提。

【關鍵詞】熱力學 定律 內涵

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

熱力學是伴隨著人們的生產生活而發展起來的，從十六世紀末到十七世紀初，伽利略制作出了人類史上第一個空氣溫度計，到第一次工業革命有了蒸氣機，第二次工業革命內然機的出現，都是熱力學發展進步的證明。熱力學發展到今天，軍事國防、農業生產、醫療衛生、食品保鮮等各個行業的發展，都離不開熱力學理論。在熱力學發展的過程中，人們總結出了熱力學四大定律，這是熱力學發展和進步的前提。

一、熱第學第零定律

凡是與冷熱變化密切相關的熱效應或熱現象，都是熱力學研究的內容。在熱力學的研究中，溫度是熱力學特有的宏觀狀態參量，最能直接表達出系統冷熱的具體狀態。

熱力學第零定律也叫熱平衡定律，其內容是：如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統的同一熱狀態處于熱平衡，則這兩個熱力學系統彼此也必定處于熱平衡。基于熱力學第零定律這一理念，為溫度概念的產生提供了基礎。溫度是表征處于同一熱平衡的系統所具有的共同宏觀性質的物理量，而這一概念成立的前提，正是熱力學第零定律所反映出的熱力學現象，即所有處于同一熱平衡狀態的熱力學系統，都具有一個共同的宏觀性質。

二、熱力學第一定律

分子的無規則運動產生熱量，使物體有了溫度，而組成物體分子的無規則熱運動動能和分子間相互作用勢能的總和，被稱為內能。內能是表達物質熱量的一種能量狀態，也是熱力學系統的重要研究內容。在熱力學系統中，想要改變熱量的能量狀態有兩種方式，即做功和熱傳遞。不論是做功還是熱傳遞，都是熱量的轉化形式，而熱力學第一定律，就是針對熱量轉化的科學定律。

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

熱力學第一定律的確立，經過了長期的生產實踐和大量的科學實驗，直到十九世紀中期，才以科學定律的形式確立起來。熱力學第一定律研究內容是能量守恒和轉化，即熱量的轉移和改變。

三、熱力學第二定律

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

在對熱機效率的研究中，人們發現了熱力學第二定律。對于熱力學第二定律，德國人克勞修斯和英國人開爾文分別提出了原始表述。經過不斷的研究和整理，現如今對熱力學第二定律的表述為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，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，一個孤立系統的總混亂度（即“熵”）不會減小。

四、熱力學第三定律

熱力學第三定律是對“熵”的論述，其表述為：一般當封閉系統達到穩定平衡時，熵應該為最大值，在任何自發過程中，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溫度的零度，此種表述可簡稱為絕對零度不可能達到原理。

熱力學第三定律是在對低溫現象的研究中總結出來的，它能應用于兩種情況，即穩定的平衡態和亞穩定的平衡態，是應用非常普遍的熱力學定律。

熱現象不僅存在于人們的日常生產和生活中，自然界中也存在大量的熱現象，而一切熱現象的發生，其過程都遵從熱力學四大定律，因此想要深入研究熱力學，就必須理解熱力學四大定律。熱力學四大定律分別在不同的角度對自然界中的熱現象發生的規律進行了總結，是熱力學研究中非常重要的定律。熱力學第零定律是熱力學研究的基礎；而熱力學第一定律卻揭示了能量在轉換的過程中遵循守恒定律；熱力學第二定律揭示了能量變化遵循的客觀規律及條件，直接證明了永動機不可能制成；熱力學第三定律則指出了溫度趨于絕對零度時，物質所表現出的極限性質，是人類探索低溫世界的前提和基礎。

參考文獻：

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