热力学三大定律(物理定律)

热力学三大定律

物理定律

热力学三大定律是以下三个定律的合称:第一定律是能量守恒定律。第二定律是热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体,但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体(还有其他表述,如不可能从单一热源吸取热量,并将这热量完全变为功,而不产生其他影响;或孤立系统的熵永不减小)。第三定律是绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零(或者绝对零度不可达到)。

中文名热力学三大定律

外文名laws of thermodynamics

第一定律Q=W+△E

应用学科热力学

提出时间19世纪50年代

提出者詹姆斯·普雷斯科特·焦耳克劳修斯、瓦尔特·能斯特

表达式Q=W+△E

第二定律一个孤立体系中的熵总是不会减少

第三定律绝对零度(T=0)不可达到

适用领域范围物理、热学、工学

第零定律定义了温度

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第一定律

热力学第一定律也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后,人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。

内容

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所做的功的和。(如果一个系统与环境孤立,那么它的内能将不会发生变化。)

表达式:

考虑有粒子交换的情况下

符号规律

:热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功,向外界散热和内能减少的情况,因此在使用:△U=-W+Q时,通常有如下规定:

①外界对系统做功,W>0,即W为正值。

②系统对外界做功,W<0,即W为负值。

③系统从外界吸收热量,Q>0,即Q为正值

④系统对外界放出热量,Q<0,即Q为负值

⑤系统内能增加,△U>0,即△U为正值

⑥系统内能减少,△U<0,即△U为负值

理解

从三方面理解

1.如果单纯通过做功来改变物体的内能,内能的变化可以用做功的多少来度量,这时系统内能的增加(或减少)量△U就等于外界对物体(或物体对外界)所做功的数值,即△U=W

2.如果单纯通过热传递来改变物体的内能,内能的变化可以用传递热量的多少来度量,这时系统内能的增加(或减少)量△U就等于从外界吸收(或对外界放出)热量Q的数值,即△U=Q

3.在做功和热传递同时存在的过程中,系统内能的变化,则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下,系统内能的增量△U就等于从外界吸收的热量Q和外界对系统做功A之和。即△U=W+Q

能量守恒定律

能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转移转化的过程中,能量的总量不变。

能量的多样性

物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等,可见,在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。

不同形式的能量转化

“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能;水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能;电流通过电热丝做功可将电能转化为内能……这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化,且这一转化过程是通过做功来完成的。

能量守恒的意义

1.能的转化与守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法,它比机械能守恒定律更普遍。例如物体在空中下落受到阻力时,物体的机械能不守恒,但包括内能在内的总能量守恒。

2.能量守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一,也庄重宣告了第一类永动机幻想的彻底破灭

3.能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器,这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来。

第一类永动机

第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。

其不可能存在,因为违背了能量守恒定律

第二定律

热力学第二定律有几种表述方式:

克劳修斯表述:热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体,但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体;

开尔文-普朗克表述:不可能从单一热源吸取热量,并将这热量完全变为功,而不产生其他影响。

熵表述:随时间进行,一个孤立体系中的熵不会减小

关系

热力学第二定律的两种表述(前2种)看上去似乎没什么关系,然而实际上他们是等效的,即由其中一个,可以推导出另一个。

参考资料

  • [1]如何用大妈能理解的语言解释热力学三定律?知乎2014-09-212018-01-29[引]

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