1、 热力学定律热力学定律 1.功和内能功和内能焦耳的实验焦耳的实验 使系统的热力学状态发生变化的使系统的热力学状态发生变化的两个途径是两个途径是做功和传热做功和传热. 与外界没有热交换的过程叫做与外界没有热交换的过程叫做绝绝热过程热过程. 焦耳的实验说明焦耳的实验说明 : 使系统状态通过使系统状态通过绝热过程发生变化时绝热过程发生变化时,做功的数量只由过做功的数量只由过程的始末状态决定程的始末状态决定,而与做功的方式无关而与做功的方式无关. 内能内能 功是能的变化的量度功是能的变化的量度. 任何热力学系统都存在一个只依赖任何热力学系统都存在一个只依赖于系统自身状态的物理量于系统自身状态的物理量内
2、能内能. 内能在两个状态间的改变内能在两个状态间的改变差值差值等等于外界在绝热过程中对系统所做的功，即于外界在绝热过程中对系统所做的功，即U=W 做功过程与内能的关系做功过程与内能的关系. 2.热和内能热和内能 热传递热传递 没有做功而使物体内能改变的物理过程没有做功而使物体内能改变的物理过程叫做叫做热传递热传递. 热传递发生的条件热传递发生的条件 : T0;热传递过程中热传递过程中,热量从高温物体传递到低温物体热量从高温物体传递到低温物体. 热传递的三种方式热传递的三种方式 : 传导传导 对流对流 辐射辐射 热和内能热和内能 热量热量是在单纯传热过程中是在单纯传热过程中系统内能变系统内能变化
3、的量度化的量度. 内能在两个状态间的改变内能在两个状态间的改变差值差值等等于外界向系统传递的热量，于外界向系统传递的热量，即即U=Q热传热传递过程与内能的关系递过程与内能的关系. 热量的概念只在涉及能量的传递时才热量的概念只在涉及能量的传递时才有意义有意义 : 不能说物体具有多少热量不能说物体具有多少热量,只能说只能说物体吸收或放出了多少热量物体吸收或放出了多少热量. 做功和热传递做功和热传递 做功和热传递对改变系统内能是等效的做功和热传递对改变系统内能是等效的 做功和热传递的重要区别做功和热传递的重要区别 : 做做 功功内能与其他形式能之间的内能与其他形式能之间的转化转化; 热传递热传递内能
4、在物体之间或物体不同部分内能在物体之间或物体不同部分 之间的之间的转移转移. 3.热力学第一定律热力学第一定律 能量守恒定律能量守恒定律 热力学第一定律热力学第一定律 单纯对系统做功单纯对系统做功 : U=W, 单纯对系统传热单纯对系统传热 : U=Q; 一般情况下一般情况下,物体与外界同时发生做功和物体与外界同时发生做功和热传递热传递,则则U=Q+W. 热力学第一定律热力学第一定律 : 一个热力学系统的内一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和所做的功的和. 公式公式U=Q+W表示内能改变与热量、功表示内能改变与热量、功之之
5、间的关系间的关系,是热力学第一定律的数学形是热力学第一定律的数学形式式,注意注意 物体吸热物体吸热Q0 物体放热物体放热Q0 物体对外界做功物体对外界做功W0 物体内能减少物体内能减少UW, . 1 由此由此,热力学第二定律又可以表述如下热力学第二定律又可以表述如下 不可能从单一热库吸收热量不可能从单一热库吸收热量,使之完全用使之完全用于做功于做功,而不产生其他影响而不产生其他影响. 开尔文表述阐述的是机械能与内能转化开尔文表述阐述的是机械能与内能转化的方向性的方向性 : 机械能可以全部转化为内能机械能可以全部转化为内能,内内能却无法全部用于做功而转化成机械能能却无法全部用于做功而转化成机械能
6、. 热力学第二定律的克劳修斯表述和开热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的尔文表述是等价的.两种表述可以互相推导两种表述可以互相推导. 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性都具有方向性,定律揭示了有大量分子参与定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性的宏观过程的方向性 : 一切与热现象有关一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的的实际宏观过程都是不可逆的.这种不可逆这种不可逆性都是互相关联的性都是互相关联的,由一种过程的不可逆性由一种过程的不可逆性可以通过推理得知另一种过程的不可逆性可以通过推理得知另一种过程的不可逆性.由此由此,对任何
7、一类宏观过程进行的方向的说对任何一类宏观过程进行的方向的说明明,都可以作为热力学第二定律的表述都可以作为热力学第二定律的表述.第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成 能从单一热源吸收热量能从单一热源吸收热量,使之完全变使之完全变为有用的功而不产生其他影响的热机叫为有用的功而不产生其他影响的热机叫做做第二类永动机第二类永动机. 第二类永动机虽然不违反热力学第一第二类永动机虽然不违反热力学第一定律定律,但是违反了热力学第二定律但是违反了热力学第二定律,所以是所以是不可能制成的不可能制成的.5.热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释 热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释
8、一切自然过程总是沿着一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大分子热运动的无序性增大的方向进行的方向进行. 熵熵 系统宏观态所对应的微观态的多少表征了系系统宏观态所对应的微观态的多少表征了系统宏观态的无序程度统宏观态的无序程度,该无序程度决定着宏观过程该无序程度决定着宏观过程的演变方向的演变方向. 若用若用表示系统一个宏观态所对应的微观态表示系统一个宏观态所对应的微观态的数目的数目,则则就是该系统分子运动无序性的量度就是该系统分子运动无序性的量度.用用S表示熵表示熵,定义定义 S=kln 式中式中k是玻尔兹曼常数是玻尔兹曼常数. 熵熵S也是系统分子运动无序性的量度也是系统分子运动无序性的量度.
9、熵较大的熵较大的宏观态就是无序程度较大的宏观态宏观态就是无序程度较大的宏观态. 热力学第二定律的熵表述热力学第二定律的熵表述 在任何自然过程中在任何自然过程中,一个孤立系统的熵永一个孤立系统的熵永不减少不减少. 由此由此,热力学第二定律又称为热力学第二定律又称为熵增加原理熵增加原理. 系统有序的可能是存在着的系统有序的可能是存在着的,只是因为只是因为通向无序的渠道比通向有序的渠道多得多通向无序的渠道比通向有序的渠道多得多,所所以无序程度较大的宏观态即熵较大的宏观态以无序程度较大的宏观态即熵较大的宏观态出现的几率就较大出现的几率就较大. 一个孤立系统总是从熵小的状态向一个孤立系统总是从熵小的状态
10、向熵大的状态演变熵大的状态演变,而熵值较大意味着较为而熵值较大意味着较为无序无序,所以自发的宏观过程总是向着无序所以自发的宏观过程总是向着无序程度更大的方向演变程度更大的方向演变.热力学第三定律热力学第三定律 不可能通过有限的过程把一个物体冷却不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度到绝对零度. 或或 绝对零度不可能达到绝对零度不可能达到6.能源和可持续发展能源和可持续发展 能量耗散和品质降低能量耗散和品质降低 没有办法把流散到周围环境的内能重没有办法把流散到周围环境的内能重新收集起来加以利用新收集起来加以利用,这种现象叫做这种现象叫做能量的能量的耗散耗散. 机械能、电能、化学能等都是集中
11、度较机械能、电能、化学能等都是集中度较高并且有序度较高的能量高并且有序度较高的能量,它们变为内能后它们变为内能后,就成为更加分散并且无序度更大的能量就成为更加分散并且无序度更大的能量. 各种形式的能量向内能的转化各种形式的能量向内能的转化,是无序程是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化度较小的状态向无序程度较大的状态的转化,这一转化能自动地、全额地发生这一转化能自动地、全额地发生. 从可被利用的价值来看从可被利用的价值来看,内能较之内能较之机械能、电能等机械能、电能等,是一种低品质的能量是一种低品质的能量. 能量耗散虽然不会使能的总量减少能量耗散虽然不会使能的总量减少,却会导致能量的品质降低却会导致能量的品质降低. 虽然能量不会减少但能源会越来越虽然能量不会减少但能源会越来越少少,所以应当节约能源所以应当节约能源.能源与人类社会发展能源与人类社会发展能源与环境能源与环境开发新能源开发新能源
