熱力學三零定律物體與熱力學定律

熱力學三零定律熱力學第零定律

A物體與B物體溫度相等，B物體與C物體溫度相等，則A物體與C物體溫度相等。

熱力學三零定律熱力學第一定律

熱力學第一定律也叫能量守恒定律：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體，在傳遞與轉(zhuǎn)化中能量的數(shù)量不變。另一種表述：第一類永動機是不可能造成的。

熱力學三零定律熱力學第二定律

1、克勞修斯說法：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化。

2、開爾文說法：不可能從單一熱源吸取熱使之完全變成功，而不發(fā)生其他變化。從單一熱源吸熱作功的循環(huán)熱機稱為第二類永動機，所以開爾文說法的意思是“第二類永動機無法實現(xiàn)”。

為什么沒有永動機，就是因為有熵的原因。

TdS = dU pdV und Qrev=TdS

克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念(S=Q/T)，而后波爾茲曼又從微觀角度提出熵概念(S=klnW),其兩者是相通的,近代的普里戈金提出了耗散結(jié)構(gòu)理論,將熵理論中引進了熵流的概念,闡述了系統(tǒng)內(nèi)如果流出的熵流(dSe)大于熵產(chǎn)生(dSi)時,可以導致系統(tǒng)內(nèi)熵減少，即dS=dSi dSe<0，這種情形應稱為相對熵減。但是，若把系統(tǒng)內(nèi)外一并考察仍然服從熵增原理。

熵增原理最經(jīng)典的表述是：“絕熱系統(tǒng)的熵永不減少”，近代人們又把這個表述推廣為“在孤立系統(tǒng)內(nèi)，任何變化不可能導致熵的減少”。熵增原理如同能量守恒定律一樣，要求每時每刻都成立。關(guān)于系統(tǒng)現(xiàn)在有四種說法，分別叫孤立、封閉、開放和絕熱系統(tǒng)，孤立系統(tǒng)是指那些與外界環(huán)境既沒有物質(zhì)也沒有能量交換的系統(tǒng)，或者是系統(tǒng)內(nèi)部以及與之有聯(lián)系的外部兩者總和，封閉系統(tǒng)是指那些與外界環(huán)境有能量交換，但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)，開放系統(tǒng)是指與外界既有能量又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)，而絕熱系統(tǒng)是指既沒有粒子交換也沒有熱能交換，但有非熱能如電能、機械能等的交換。

參見百科：熱力學定律2100433B

表述

如果兩個熱力學系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱做“熱力學第零定律”。

熱力學第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。

定律中所說的熱力學系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實驗基礎(chǔ)。這個定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。

適用范圍

第零定律是在不考慮引力場作用的情況下得出的，物質(zhì)（特別是氣體物質(zhì)）在引力場中會自發(fā)產(chǎn)生一定的溫度梯度。如果有封閉兩個容器分別裝有氫氣和氧氣，由于它們的分子量不同，它們在引力場中的溫度梯度也不相同。如果最低處它們之間可交換熱量，溫度達到相同，但由于兩種氣體溫度梯度不同，則在高處溫度就不相同，也即不平衡。因此第零定律不適用引力場存在的情形。這與限定第二類永動機不成立的第二定律類似。

意義

熱力學第零定律用來作為進行體系測量的基本依據(jù)，其重要性在于它說明了溫度的定義和溫度的測量方法。表述如下：

1、可以通過使兩個體系相接觸，并觀察這兩個體系的性質(zhì)是否發(fā)生變化而判斷這兩個體系是否已經(jīng)達到熱平衡。

2、當外界條件不發(fā)生變化時，已經(jīng)達成熱平衡狀態(tài)的體系，其內(nèi)部的溫度是均勻分布的，并具有確定不變的溫度值。

3、一切互為平衡的體系具有相同的溫度，所以一個體系的溫度可以通過另一個與之平衡的體系的溫度來表示，也可以通過第三個體系的溫度來表示。2100433B

熱力學第二定律形成

①熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處（在自然狀態(tài)下）。它是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)。

上述(1)中①的講法是德國科學家克勞修斯(Clausius)在1850年提出的。②的講法是開爾文于1851年提出的。這些表述都是等效的。

在①的講法中，指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉(zhuǎn)移，也就是說在自然條件下，這個轉(zhuǎn)變過程是不可逆的。要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)過來，只有靠消耗功來實現(xiàn)。

在②的講法中指出，自然界中任何形式的能都會很容易地變成熱，而反過來熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能，從而說明了這種轉(zhuǎn)變在自然條件下也是不可逆的。熱機能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C械功 ，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過程進行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 ．

②人們曾設(shè)想制造一種能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響的機器，這種空想出來的熱機叫第二類永動機。它并不違反熱力學第一定律，但卻違反熱力學第二定律。有人曾計算過，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低0.25度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年。但只用海洋做為單一熱源的熱機是違反上述第二種講法的，因此要想制造出熱效率為百分之百的熱機是絕對不可能的。

③從分子運動論的觀點看，作功是大量分子的有規(guī)則運動，而熱運動則是大量分子的無規(guī)則運動。顯然無規(guī)則運動要變?yōu)橛幸?guī)則運動的幾率極小，而有規(guī)則的運動變成無規(guī)則運動的幾率大。一個不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部自發(fā)的過程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進行，從此可見熱是不可能自發(fā)地變成功的。

④熱力學第二定律只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。

⑤根據(jù)熱力學第零定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——溫度；

根據(jù)熱力學第一定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——內(nèi)能和焓；

根據(jù)熱力學第二定律，也可以確定一個新的狀態(tài)函數(shù)——熵。可以用熵來對第二定律作定量的表述。

熱力學第二定律過程

第二定律指出在自然界中任何的過程都不可能自動地復原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必需借助外界的作用，由此可見，熱力學系統(tǒng)所進行的不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異，這種差異決定了過程的方向，人們就用狀態(tài)函數(shù)熵來描述這個差異，從理論上可以進一步證明:

可逆絕熱過程S_f=S_i，不可逆絕熱過程S_f>S_i，式中S_f和S_i分別為系統(tǒng)的最終和最初的熵。

也就是說，在孤立系統(tǒng)內(nèi)對可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對不可逆過程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個規(guī)律叫做熵增加原理。這也是熱力學第二定律的又一種表述。熵的增加表示系統(tǒng)從幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)演變，也就是從比較有規(guī)則、有秩序的狀態(tài)向更無規(guī)則，更無秩序的狀態(tài)演變。熵體現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)。

熱力學第二定律條件

第二定律在有限的宏觀系統(tǒng)中也要保證如下條件：

1．該系統(tǒng)是線性的；

2．該系統(tǒng)全部是各向同性的。

另外有部分推論：比如熱輻射：恒溫黑體腔內(nèi)任意位置及任意波長的輻射強度都相同，且在加入任意光學性質(zhì)的物體時，腔內(nèi)任意位置及任意波長的輻射強度都不變。

表述

熱力學第二定律是闡明與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進行的方向、條件及限度的定律。由于工程實踐中熱現(xiàn)象普遍存在， 熱力學第二定律應用范圍極為廣泛，諸如熱量傳遞、熱功互變、化學反應、燃料燃燒、氣體擴散、混合、分離、溶解、結(jié)晶、輻射、生物化學、生命現(xiàn)象、信息理論、低溫物理、氣象以及其他許多領(lǐng)域。

熱力學第二定律的克勞修斯說法：

1850 年， 克勞修斯(Dudolf Clausius)從熱量傳遞方向性的角度提出: 熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。

這里指的是“自發(fā)地、不付代價地”。通過熱泵裝置的逆向循環(huán)可以將熱量自低溫物體傳向高溫物體， 并不違反熱力學第二定律， 因為它是花了代價而非自發(fā)進行的。非自發(fā)過程(熱量自低溫傳向高溫) 的進行， 必須同時伴隨一個自發(fā)過程(機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮? 作為代價、補充條件， 后者稱為補償過程。

熱力學第二定律的開爾文說法：

1824 年， 卡諾(Sadi Carnot )最早提出了熱能轉(zhuǎn)化為機械能的根本條件:“ 凡有溫度差的地方都能產(chǎn)生動力。”實質(zhì)上， 它是熱力學第二定律的一種表達方式。隨著蒸汽機的出現(xiàn)， 人們在提高熱機效率的研究中認識到， 只有一個熱源的熱動力裝置是無法工作的， 要使熱能連續(xù)地轉(zhuǎn)化為機械能至少需要兩個( 或多于兩個)溫度不同的熱源， 通常以大氣中的空氣或環(huán)境溫度下的水作為低溫熱源， 另外還需有高于環(huán)境溫度的高溫熱源， 例如高溫煙氣。1851 年左右， 開爾文( LordKelvin)和普朗克(Max Planck) 等人從熱能轉(zhuǎn)化為機械能的角度先后提出更為嚴密的表述， 被稱為熱力學第二定律的開爾文說法: 不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機。

方向性

1、 功熱轉(zhuǎn)化

功可以自動地轉(zhuǎn)化為熱，功轉(zhuǎn)熱是不可逆過程， 其反向過程， 即降低流體的熱力學能或收集散給環(huán)境的熱量轉(zhuǎn)化為功重新舉起重物恢復原位的過程， 則不能單獨地、自動地進行， 熱不可能全部無條件地轉(zhuǎn)化為功。

2、熱永遠只能由熱處傳到冷處（在自然狀態(tài)下）。

熱量一定自動地從高溫物體傳向低溫物體； 而反向過程， 熱量由低溫傳回高溫、系統(tǒng)回復到原狀的過程，則不能自動進行， 需要依靠外界的幫助。

熵及熵增原理

熵是與熱力學第二定律緊密相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。它是判別實際過程的方向，提供過程能否實現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)， 在過程不可逆程度的量度、熱力學第二定律的量化等方面有至關(guān)重要的作用。

克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念(

這種情形應稱為相對熵減。但是，若把系統(tǒng)內(nèi)外一并考察仍然服從熵增原理。

熵增原理最經(jīng)典的表述是：“絕熱系統(tǒng)的熵永不減少”，近代人們又把這個表述推廣為“在孤立系統(tǒng)內(nèi)，任何變化不可能導致熵的減少”。熵增原理如同能量守恒定律一樣，要求每時每刻都成立。關(guān)于系統(tǒng)有四種說法，分別叫孤立、封閉、開放和絕熱系統(tǒng)，孤立系統(tǒng)是指那些與外界環(huán)境既沒有物質(zhì)也沒有能量交換的系統(tǒng)，或者是系統(tǒng)內(nèi)部以及與之有聯(lián)系的外部兩者總和，封閉系統(tǒng)是指那些與外界環(huán)境有能量交換，但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)，開放系統(tǒng)是指與外界既有能量又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)，而絕熱系統(tǒng)是指既沒有粒子交換也沒有熱能交換，但有非熱能如電能、機械能等的交換。