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热力学定律的应用【摘要】本文主要是从热力学定律的本质为出发点，而后分别简要的介绍了三大热力学定律在各个学科领域内得到的广泛地应用。【关键词】热力学定律、本质、应用【Abstract】Thisarticlemainlyfromthenatureofthesecondlawofthermodynamicsasastartingpoint,andthenbrieflyintroducesrespectivelythethreelawsofthermodynamicsinvariousdisciplinesshouldbeextensively【Keywords】secondlawofthermodynamics,nature，application【引言】热力学定律是人们在生活实践，生产实践和科学实验的经验总结，它们既不涉及物质的微观结构，也不能用数学加以推导和证明。但它的正确性已被无数次的实验结果所证实。而且从热力学严格地导出的结论都是非常精确和可靠的。有关该定律的实质和应用是本文讨论的重点。热力学第一定律即能量守恒定律，利用它可解决各种变化过程中的能量守恒问题；热力学第二定律是有关热和功等能量形式相互转化的方向与限度的规律，进而推广到有关物质变化过程的方向与限度的普遍规律；而热力学第三定律的确立，可以由热性质计算物质在一定状态下的规定熵，实现了完全由热性质判断化学变化的方向。由于在生活实践中，自发过程的种类极多，热力学定律的应用非常广泛，诸如热能与机械能的传递和转换、流体扩散与混合、化学反应、燃烧、辐射、溶解、分离、生态等问题，本文将做相关介绍。1.热力学定律的实质1.1、热力学第一定律的实质第1页热力学第一定律的实质是自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。能量守恒与转换定律在热力学上的一种特定应用形式。它说明了热能与机械能互相转换的可能性及其数值关系。自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量保持不变。该定律就称为热力学第一定律，也称为能量转换与守恒定律，这一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外做功的机械）是不能制作出来的。2.2数学表达式2.2.1内能定理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。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。为了证明内第2页能是态函数，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。2.2.2热力学第一定律的数学表达式若将绝热WUU12推广为非绝热过程，系统内能增加还可来源于从外界吸热Q，则WQUU12（热力学第一定律一般表达式）这就是热力学第一定律的数学表达式。前面已讲到，功和热量都与所经历的过程有关，它们不是态函数，但二者之和却成了仅与初末状态有关，而与过程无关的内能改变量了。1.2热力学第二定律的实质1.2.1可逆过程与不可逆过程一个热力学系统，从某一状态出发，经过某一过程达到另一状态。若存在另一过程，能使系统与外界完全复原(即系统回到原来的状态，同时消除了原来过程对外界的一切影响)，则原来的过程称为“可逆过程”。反之，如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原，则称之为“不可逆过程”。可逆过程是一种理想化的抽象，严格来讲现实中并不存在(但它在理论上、计算上有着重要意义)。大量事实告诉我们：与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程。1.2.2对于开氏与克氏的两种表述的分析克氏表述指出：热传导过程是不可逆的。开氏表述指出：功变热(确切地说，是机械能转化为内能)的过程是不可逆的。两种表述其实质就是分别挑选了一种典型的不可逆过程，指出它所产生的效果不论用什么方法也不可能使系统完全恢复原状，而不引起其他变化．．．．．．．．。请注意加着重号的语句：“而不引起其他变化”。比如，制冷机(如电冰箱)可以将热量Q由低温T2处(冰箱内)向高温T1处(冰箱第3页外界对制冷机做了电功W而引起了变化，并且高温物体也多吸收了热量Q(这是电能转化而来的)。这与克氏表述并不矛盾。1.2.3不可逆过程几个典型例子例1（气体向真空自由膨胀)如图1所示，容器被中间的隔板分为体积相等的两部分：A部分盛有理想气体，B部分为真空。现抽掉隔板，则气体就会自由膨胀而充满整个容器。例2(两种理想气体的扩散混合)如图2所示，两种理想气体C和D被隔板隔开，具有相同的温度和压强。当中间的隔板抽去后，两种气体发生扩散而混合。例3焦耳的热功当量实验。这是一个不可逆过程。在实验中，重物下降带动叶片转动而对水做功，使水的内能增加。但是，我们不可能造出这样一个机器：在其循环动作中把一重物升高而同时使水冷却而不引起外界变化。由此即可得热力学第二定律的“普朗克表述”。再如焦耳-汤姆生(开尔文)多孔塞实验中的节流过程和各种爆炸过程等都是不可逆过程。1.2.4热力学第二定律的含义对上面所列举的不可逆过程以及自然界中其他不可逆过程，我们完全能够由某一过程的不可逆性证明出另一过程的不可逆性，即自然界中的各种不可逆过程都是互相关联的。我们可以选取任一个不可逆过程作为表述热力学第二定律的基础。因此，热力学第二定律就可以有多种不同的表达方式。但不论具体的表达方式如何，热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，并指出这些过程自发进行的方向。热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数——熵。可以用熵来对第二定律作定量的表述。第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明:第4页可逆绝热过程：Sf=Si，不可逆绝热过程：SfSi，式中Sf和Si分别为系统的最终和最初的熵。也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：(1)该系统是线性的；(2)该系统全部是各向同性的。1.3热力学第三定律的实质热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是等温可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是等温可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度（absolutezero）。热力学温标的单位是开尔文（K±）。2.热力学定律的应用2.1热力学第一定律的适用范围热力学第一定律是自然界的一个普遍规律，适用于一切形式的能量，即对任意气体、封闭系统、任意过程均适用。2.1.1热力学第一定律的一些典型应用一、热力学第一定律在估算柴油机冷却水量中的应用船上所用的发电机组柴油机大多采用四冲程中高速柴油机,其冷却系统的功能是将柴油机在运行过程中产生的热量用冷却水带走。冷却水量的多少取决于柴油机在运行过程中需要冷却的部件中需要带走的热量的多少,热力学第第5页一定律指出,能量不能产生也不会消灭,但可以从一种形式转化为另一种形式,其实质是能量转换及守恒定律。对柴油机进行热分析:持续运行的柴油机的热系统是一个稳态的开口系统,处在动态的平衡中。柴油机燃烧柴油,把柴油的化学能转化为热能,这些热能一部分转化为机械能输出,一部分以辐射的形式被空气带走,一部分由排出的废气带走,还有一部分就由冷却水带走。所以不管柴油机内部的冷却系统如何复杂,把这几部分的能量估算出来,就能得出需要由冷却水带走的热量[1]。二、热力学第一定律在化工过程中的应用化工生产过程常常要涉及系统的能量衡算而这些衡算要遵循能量守恒定律。通过对开放体系、封闭体系及稳定状态稳定流动能量方程的讨论,阐明热力学第一定律在化工生产计算的应用反应温度不同其产物也不相同,从而说明在化工生产的同时对原料反应条件及产物都要进行适当的物理变化处理:如原料的破碎、分级、溶解、提纯、改变温度、压力、结构、组成和相态以满足反应要求,其中温度是一个非常重要的控制条件。因几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行.为了达到和保持所要求的温度,反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度，所以在生产过程中,反应物需要吸收或放出一定的热量,这就要求环境对反应系统输入能量或系统对环境物出能量，确保化工生产过程的顺利进行.那如何设计计算这部分能量呢？我们采用了热力学方程来解决这一间题；而热力学方程是建立在热力学第一定律基础上的。故热力学第一定律在化工生产中被应用[2]。三、热力学第一定律在静电中的应用若将热力学第一定律中所表述的系统的内能扩展为一切能量,则热力学第一定律就是能的转化和守恒定律,它是反映物质运动及其转化的一条自然界的普遍规律。它明确地告诉我们自然界间各种不同的运动形式总是不断地互相转化,且在这一过程中总的能量保持不变。据此,让我们用其讨论静电场的能量问题,我们的研究系统由静电场和电荷组成。在静电能场问题中,系统的内能就是系统的电势能,并且在这种系统中没有热交换。现行中学管理教材在对电势能的处理时,采用了与重力做功类此的方法,无疑是正确的,但由于电荷有正负之分,所以情况要复杂些,若能辅以上述方法进行教学,将热力学第一定律引入电场,第6页直接给出功能关系,使学生在应用热力学第一定律时,学会教材内容并建立“系统”的观念教学实践表明,采用了上述方法进行教学,收到了较好的教学效[3]。四、基于热力学第一定律的热电联产节能分析近年来，能源问题日益为人们所关注。如何有效合理地利用一次能源成为节能措施中重点关注对象。热电联产是国家一贯鼓励的节能技术，是一种有效的能源利用方法。热电联产是针对热电分产而言的，热电联产可以节能但不是在任何情况下都可以节能，为此有必要对它做出科学合理的界定。从节能的角度来看，热电联