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《大学物理》课程论文热力学基础摘要：热力学第一定律即热现象在内的能量转换与守恒定律。热力学第二定律则是指明过程进行的方向与条件的另一基本定律。从理想的可逆过程入手，引进熵的概念后，就可以从熵的变化来说明实际过程的不可逆性。因此，在热力学中，熵是一个十分重要的概念。关键词：热力学第一定律卡诺循环热力学第二定律熵引言在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。一.热力学第一定律1.历史渊源与科学背景北宋时刘昼明确指出“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火。”古希腊米利都学派的那拉克西曼德（Anaximander,约公元前611—547)把火看成是与土、水、气并列的一种原素,它们都是由某种原始物质形成的世界四大主要元素。恩培多克勒（Empedocles,约公元前500—430）更明确提出四元素学说,认为万物都是水、火、土、气四元素在不同数量上不同比例的配合,与我国的五行说十分相似。但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。18世纪中期,苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。这种理论认为,热是由一种特殊的没有重量的流体物质,即热质（热素）所组成,并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象,因而这种学说为当时一些著名科学家所接受,成为十八世纪热力学占统治地位的理论。2.热力学第一定律的建立过程将能量守恒与转换定律应用于热效应就是热力学第一定律，但是能量守恒与转化定律仅是一种思想，它的发展应借助于数学。马克思讲过，一门科学只有达到了能成功地运用数学时，才算真正发展了。另外，数学还可给人以公理化方法，即选用少数概念和不证自明的命题作为公理，以此为出发点，层层推论，建成一个严密的体系。热力学也理应这样的发展起来。所以下一步应该建立热力学第一定律的数学表达式。第一定律描述功与热量之间的相互转化，功和热量都不是系统状态的函数，我们应该找到一个量纲也是能量的，与系统状态有关的函数（即态函数），把它与功和热量联系起来，由此说明功和热量转换的结果其总能量还是守恒的。在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使系统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。而在热学中，煤质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部。内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态之间有一一对应的关系。内能定理从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统做功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加应等于这两者之和。为了证明内能是态函数，也为了能对内能做出定量的定义，先考虑一种较为简单的情况——绝热过程，即系统既不吸热也不放热的过程。焦耳做了各种绝热过程的实验，其结果是：一切绝热过程中使水升高相同的温度所需要做的功都是相等的。这一实验事实说明，系统在从同一初态变为同一末态的绝热过程中，外界对系统做的功是一个恒量，这个恒量就被定义为内能的改变量，即绝热WUU12（内能定理）因为绝热W仅与初态、末态有关，而与中间经历的是怎样的绝热过程无关，故内能是态函数[1]。在一般情况下，当系统状态变化时，作功与传递热量往往是同时存在的。如果有一个系统，外界对它传递的热量为Q，系统从内能为E1的初始平衡状态改变到内能为E2的终末平衡状态，同时系统对外做功为A,那么，不论过程如何，总有：Q=E2—E1+A上式就是热力学第一定律。意义是：外界对系统传递的热量，一部分是系统的内能增加，另一部分是用于系统对外做功。不难看出，热力学第一定律气其实是包括热量在内的能量守恒定律。它还指出，作功必须有能量转换而来，很显然第一类永动机违反了热力学第一定律，所以它根本不可能造成的。二.卡诺循环及热力学第二定律物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程称为循环过程，或简称循环。经历一个循环，回到初始状态时，内能没有改变，这是循环过程的重要特征。卡诺循环就是在两个温度恒定的热源（一个高温热源，一个低温热源）之间工作的循环过程。在完成一个循环后，气体的内能回到原值不变。卡诺循环还有以下特征：①要完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热源：②卡诺循环的效率只与两个热源的温度有关，高温热源的温度越高，低温热源的温度越低，卡诺循环效率越大，也就是说当两热源的温度差越大，从高温热源所吸取的热量Q1的利用价值越大。③卡诺循环的效率总是小于1的（除非T2=0K）。[2]那么热机的效率能不能达到100％呢？如果不可能到达100％，最大可能效率又是多少呢？有关这些问题的研究就促进了热力学第二定律的建立。第一类永动机失败后，人们就设想有没有这种热机：它只从一个热源吸取热量，并使之全部转变为功，它不需要冷源，也没有释放热量。这种热机叫做第二类永动机。经过无数的尝试证明，第二类永动机同样式一种幻想，也是不可能实现的。就上面介绍的卡诺循环，它也是个理想循环，工作物质从高温热源吸取热量后，经过卡诺循环，总是向低温热源放出一部分的热量，才能回复到初始状态，所以说卡诺循环的效率不可能达到1。热力学第二定律开尔文叙述是这样的：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全都变为有用的功，而不产生其他影响。从文字上看，热力学第二定律开尔文叙述反映了热功转换的一种特殊规律。1850年，克劳修斯在大量实验的基础上提出了热力学第二定律的另外一种说法：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。要是热量从低温物体传向高温物体，靠自发是不可能的，必须依靠外力作功。克劳修斯的叙述正是反映了热量传递的这种特殊规律。热力学第二定律的两种描述是等价的。[3]根据热力学第二定律，我们论证了一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。当给定系统处于非平衡状态时，总要发生从非平衡态向平衡态的自发性过渡;反之当系统处于平衡态时,系统却不可能从平衡态向非平衡态过渡。所以我们希望找到一个与平衡状态有关的状态函数，根据这个状态函数单向变化的性质来判断实际过程进行的方向。我们把这个状态函数叫做熵，以S表示。在一个可逆绝热循环中，系统的熵变等于零。但在封闭系统中发生的任何不可逆过程，都导致了整个系统的熵的增加，系统的熵只有在可逆过程中才是不变的。这个普遍结论叫做熵增加原理。如果把系统和外界作为整个封闭系统考虑，则系统的总熵是不可能减少的。在可逆过程的情况下，总熵保持不变，而在不可逆过程的情况下，总熵一定增加。因此，我们可以根据总熵的变化判断实际过程进行的方向和限度。也是基于这个原因，我们把熵增加原理看作是热力学第二定律的另一种叙述形式。参考文献：[1]田鑫泉．焦耳实验与焦耳定律[J]．洛阳师专学报，1995：40—42[2]秦允豪．热学．北京：高等教育出版社，2004：117—118[2]郭奕玲，沈慧君．物理学史[M]．北京：清华大学出版社，1993：13—15