熱力學(xué)第一定律和第二定律

1、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 通過我們對物理及熱力學(xué)的學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)了這樣的規(guī)律： 凡是牽涉到熱現(xiàn) 象的一切過程都有一定的方向性和不可逆性， 例如熱量總是從高溫物 體自發(fā)地傳向低溫物體， 而從未看到熱量自發(fā)地從低溫物體傳向高溫 物體，例如當(dāng)我們擁有一杯熱水可以通過等待熱水向周圍空氣散熱得 到一杯涼水， 可是當(dāng)我們需要這杯涼水重新變成熱水時， 單純等待散 失到周圍空氣的熱量重新回來卻不可能。 又如機(jī)械能可以通過摩擦無 條件地完全地轉(zhuǎn)化為熱量， 但是熱能無法在單一熱源下自發(fā)地轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能。這種自然規(guī)律雖然有時候不能如我們所愿， 但它對我們意義重大。 可 以說是人類在地球上賴以生存的基礎(chǔ)。我們卻難以設(shè)

2、想傳熱方向未知狀態(tài)下的混亂。我們不知道傳熱的方 向，從而會不知道一杯熱水放在環(huán)境中會變涼還是會繼續(xù)升溫， 何時 才能變涼，我們把涼水放在爐子上加熱卻不知道熱量是從涼水傳向爐 子，還是從爐子傳向涼水。我們會得到熱水還是更涼的涼水。 從這個意義上說正如交通紅綠燈是交通暢通無阻的保證傳熱方向規(guī) 律是自然界熱領(lǐng)域中的紅綠燈。熱不可能自發(fā)地不付代價地從低溫物體傳至高溫物體， 這就是克勞修 斯說的熱力學(xué)第二定律 不可能制造出從單一熱源吸熱使之全部轉(zhuǎn)化成為功而不留下其他任 何變化的熱力發(fā)動機(jī)這就是開爾文說的熱力學(xué)第二定律 總結(jié)熱力學(xué)第二定律的兩種說法的自然過程總是使系統(tǒng)趨于平衡能 量從高位趨于低位，存在著不

3、平衡的自然界， 無時無刻不發(fā)生著這種變化機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生熱量 高溫物體將熱量傳向低溫物體。 高溫物體將熱量傳向低溫物體的過程 中又可能產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動。生命過程、化學(xué)過程、 核反應(yīng)過程都伴隨著熱過程的發(fā)生， 自然界的 運(yùn)動變化中熱現(xiàn)象擔(dān)任著重要的角色。 生活常識告訴我們冬天冷玻璃 杯遇開水會破裂，這些都是物質(zhì)表現(xiàn)出來的各種熱濕現(xiàn)象， 由于地 球不停地運(yùn)動和變化， 經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代逐漸在地殼內(nèi)部積累了巨 大的能量。 形成了巨大的應(yīng)力作用， 當(dāng)大地構(gòu)造應(yīng)力或熱應(yīng)力使地殼 某些脆弱的地帶承受不了， 時發(fā)生錯位或斷裂以波的形式傳到地面就 形成了地震研究火山的學(xué)者認(rèn)為；熱是各種地質(zhì)作用的原始驅(qū)動力， 火山活動

4、是地球內(nèi)部熱的不均勻性的地表， 反映海底的地震和火山噴 發(fā)可能引起海水中形成巨大的海浪并向外傳播。 這就是海嘯森林中的 落葉和腐朽的樹干等， 可燃物在干燥的氣候條件下， 因某些火源的引 發(fā)極易產(chǎn)生森林大火。又如高溫洋面通過蒸發(fā)而把大 量的水汽輸入大氣， 即把從海洋得到的潛熱釋放于大氣層中， 產(chǎn)生不 平衡在高層通風(fēng)條件不良的狀況下， 熱量不能擴(kuò)散到大范圍空間中去 當(dāng)?shù)涂沼休椇系牧鲌龌蚋呖沼休椛⒌牧鲌鰰r，就形成了臺風(fēng)， 地球?yàn)?zāi)害的每一次發(fā)生也就是地球能量的一次巨大釋放， 試想如果這 種能量在地球自己爆發(fā)前 能被人類開發(fā)利用起來， 是多么的巨大加上避免了災(zāi)害的發(fā)生這種景 象是多么的美好， 地球自由運(yùn)

5、行的過程中將蘊(yùn)藏越來越大的熱能， 或 者形成越來威脅， 人類如果能將潛在的熱能開發(fā)利用出來， 或者在高 溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗虚g裝上熱機(jī)， 讓溫差做功高溫?zé)嵩吹臒崃浚?就能 在傳向低溫?zé)嵩吹倪^程中為人類做貢獻(xiàn)， 從而避免地球因過度的能量 積蓄或溫濕度差異發(fā)生災(zāi)害，人類利用自然能量有許多成功的例子， 例如風(fēng)能、 太陽能、潮汐能的應(yīng)用。 然而自然界蘊(yùn)藏的熱能和溫差能 的卻因?yàn)槠湫实统杀靖呶茨艿玫綇V泛深入的開發(fā)利用。 而事實(shí)上熱 能和溫差是眾多地球?yàn)?zāi)害之源。 將開發(fā)熱能和溫差。 能避免掉的地球 災(zāi)害造成的損失計入收益。熱能和溫差能的開發(fā)利用就太有價值了。 不僅如此溫差能和地球蘊(yùn)藏的熱能如果能被利用起來

6、其數(shù)量絕不是 一個小數(shù)字，熱力學(xué)第一定律概述 熱力學(xué)第一定律即為能量轉(zhuǎn)化和守恒定律：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量 有各種不同的形式， 能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式， 從一個物體傳遞給另一 個物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞中能量的數(shù)量不變。熱機(jī)及其效率18 世紀(jì)第一臺蒸汽機(jī)問世后 , 經(jīng)過許多人的改進(jìn) ,特別是紐科門和瓦特的工作 , 使蒸汽機(jī)成為普遍適用于工業(yè)的萬能原動機(jī) , 但其效率卻一直很低 , 只有 3%5%左 右,95%以上的熱量都未被利用。 其他熱機(jī)的效率也普遍不高 , 譬如: 液體燃料火箭 效率 48%,柴油機(jī)效率 37%,汽油機(jī)效率 25%等等。人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力 , 在摸索

7、中對蒸汽機(jī)等熱機(jī)的結(jié)構(gòu)不斷進(jìn) 行各種嘗試和改進(jìn) ,盡量減少漏氣、散熱和摩擦等因素的影響 , 但熱機(jī)效率的提高 依舊很微弱。這就不由得讓人們產(chǎn)生疑問 : 提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵是什么 ?熱機(jī)效率 的提高有沒有一個限度 ?工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰崴黾拥膬?nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為對外做的有用功, 還需對外放出一部分熱量 , 這是由循環(huán)過程的特點(diǎn)決定的。熱力學(xué)第一定律就是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。十九世紀(jì)中期，在長期生產(chǎn)實(shí)踐和 大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 它才以科學(xué)定律的形式被確立起來。 直到今天， 不但沒 有發(fā)現(xiàn)違反這一定律的事實(shí)， 相反的，大量新的實(shí)踐不斷地證明這一定律的正確 性，擴(kuò)充著它的實(shí)踐基礎(chǔ)，豐富著它所概括的內(nèi)

8、容。綜上所述，熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基礎(chǔ)，而且在能源方面有廣泛的應(yīng)用， 能源是人類社會活動的物質(zhì)基礎(chǔ)， 社會得以發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能 源技術(shù)的使用， 能量資源的范圍隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而擴(kuò)大， 所以熱力學(xué)第一定 律的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。熱力學(xué)與能源的關(guān)系工程熱力學(xué)是以研究熱能與其他形式的能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律、工質(zhì)的 熱力性質(zhì)及各種熱力裝臵工作情況的分析的一門學(xué)科。 目前，熱力學(xué) 的研究范圍已涉及到化工、 冶金、冷凍、空調(diào)以及近代的低溫、 超導(dǎo)、 電磁及生物等各個領(lǐng)域。 工程熱力學(xué)屬于應(yīng)用科學(xué)的范疇， 是工程科 學(xué)的重要領(lǐng)域之一， 是工程類各專業(yè)本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是 農(nóng)業(yè)工

9、程類、能源工程類、食品工程類、交通運(yùn)輸類、林業(yè)工程類、 機(jī)械工程類、 農(nóng)業(yè)設(shè)施與環(huán)境工程類、 電氣信息類等專業(yè)的主要專業(yè) 基礎(chǔ)課之一。 它也是設(shè)計計算和分析各種動力裝臵、制冷機(jī)、熱泵 空調(diào)機(jī)組、鍋爐及各種熱交換器的理論基礎(chǔ)?？傊?，工程熱力學(xué)在生活中的運(yùn)用隨處可見，它已經(jīng)是我們?nèi)粘Ｉ?活里必不可少的一部分， 與之密切聯(lián)系的便是能源問題。 而自然能源 的開發(fā)和利用更是人類走向繁榮的起點(diǎn)能源開發(fā)和利用的程度是生 產(chǎn)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。 所謂能源是指為人類生產(chǎn)和日常生活提供各種能量和動力的物質(zhì)資源。 迄今為止， 自然界中已為人們發(fā)現(xiàn)的可被 利用的能源主要有風(fēng)能、水能、太陽能、地?zé)崮?、海洋潮汐能、核?

10、及燃料的化學(xué)能等。在這些能源中， 除風(fēng)能、水能和海洋潮汐能是以 機(jī)械能的形式提供給人們的之外 ,其余各種能源都往往以熱能的形式 提供給人們。 太陽能以熱輻射的方式向地球傳遞著大量的熱能； 地?zé)?能可以將水加熱成為熱水或蒸汽以傳送熱能； 煤、石油和天然氣等化 學(xué)燃料， 常通過燃燒轉(zhuǎn)化成熱能； 核能無論通過裂變還是聚變反應(yīng)釋 放出來的能量都是以高溫?zé)崮艿男问健?以上諸多事實(shí)說明， 人們從自 然能源中獲得能量的主要形式是熱能。因此，熱能的 研究和利用對于整個人類的生產(chǎn)與生活都有著極其重要的意義。而我國現(xiàn)階段的能源中， 95%左右來自天然礦物燃料，通過 燃燒或核裂變儲藏在燃料中的能量轉(zhuǎn)換成熱能被直接利

11、用或轉(zhuǎn)換成 其他形式的能量。認(rèn)識、掌握熱量在熱力設(shè)備中轉(zhuǎn)換、傳遞的規(guī)律和 方法，走能源節(jié)約型道路，對于國計民生具有重要意義。熱力學(xué)第二定律建立的歷史過程19 世紀(jì)初，巴本、紐可門等發(fā)明的蒸汽機(jī)經(jīng)過許多人特別是瓦特的 重大改進(jìn)， 已廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、 交通運(yùn)輸，但當(dāng)時人們對蒸汽 機(jī)的理論研究還是非常缺乏的。 熱力學(xué)第二定律就是在研究如何提高 熱機(jī)效率問題的推動下， 逐步被發(fā)現(xiàn)的， 并用于解決與熱現(xiàn)象有關(guān)的 過程進(jìn)行方向的問題。1824 年，法國陸軍工程師卡諾在他發(fā)表的論文“論火的動力”中 提出了著名的“卡諾定理”，找到了提高熱機(jī)效率的根本途徑。 但卡 諾在當(dāng)時是采用 “熱質(zhì)說”的錯誤觀點(diǎn)來研

12、究問題的。從 1840 年到 1847 年間，在邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人的努力下，熱力學(xué)第一定 律以及更普遍的能量守恒定律建立起來了。 “熱動說”的正確觀點(diǎn)也 普遍為人們所接受。 1848 年，開爾文爵士 （威廉湯姆生 ）根據(jù)卡諾 定理，建立了熱力學(xué)溫標(biāo) （絕對溫標(biāo) ）。它完全不依賴于任何特殊物質(zhì) 的物理特性， 從理論上解決了各種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)不相一致的缺點(diǎn)。 這些為 熱力學(xué)第二定律的建立準(zhǔn)備了條件。1850 年，克勞修斯從“熱動說”出發(fā)重新審查了卡諾的工作，考 慮到熱傳導(dǎo)總是自發(fā)地將熱量從高溫物體傳給低溫物體這一事實(shí)， 得 出了熱力學(xué)第二定律的初次表述。 后來歷經(jīng)多次簡練和修改， 逐漸演 變?yōu)楝F(xiàn)行

13、物理教科書中公認(rèn)的“克勞修斯表述”。與此同時，開爾文 也獨(dú)立地從卡諾的工作中得出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述， 后來 演變?yōu)楦珶挼默F(xiàn)行物理教科書中公認(rèn)的“開爾文表述” 。上述對熱 力學(xué)第二定律的兩種表述是等價的， 由一種表述的正確性完全可以推 導(dǎo)出另一種表述的正確性。 他們都是指明了自然界宏觀過程的方向 性，或不可逆性。克勞修斯的說法是從熱傳遞方向上說的，即熱量只 能自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體， 而不可能從低溫物體傳向高溫物 體而不引起其他變化。這里“不引起其他變化”是很重要的。利用致 冷機(jī)就可以把熱量從低溫物體傳向高溫物體， 但是外界必須做功。 開 爾文的說法則是從熱功轉(zhuǎn)化方面去說的。

14、功完全轉(zhuǎn)化為熱， 即機(jī)械能 完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能可以的， 在水平地面上運(yùn)動的木塊由于摩擦生熱而最 終停不來就是一個例子。 但反過來， 從單一熱源吸取熱量完全轉(zhuǎn)化成 有用功而不引起其他影響則是不可能的。所謂“單一熱源”，是指溫 度均勻并且保持恒定的熱源， 如果熱源的溫度不是均勻的， 則可以從 溫度較高處吸收熱量， 又向溫度較低處放出一部分， 這就等于工作在 兩個熱源之間了。所謂“不產(chǎn)生其他影響”，是指除了從單一熱源吸 熱，這些熱量全部用來做功以外，其他都沒有變化。如果沒有“不產(chǎn) 生其他影響” 這個限制， 從單一熱源吸熱而全部轉(zhuǎn)化為功是可以做到 的，例如理想氣體在等溫膨脹過程中，氣體從熱源吸熱而膨脹做功

15、， 由于這過程中理想氣體保持溫度不變，而理想氣體又不考慮分子勢 能，因此氣體的內(nèi)能保持不變， 從熱源吸收的熱量就全部轉(zhuǎn)化成了功，但是這過程中氣體的體積膨脹了，因此不符合“不產(chǎn)生其他影響”的 條件。熱力學(xué)第二定律的兩個表述自然界自發(fā)進(jìn)行的過程具有方向性 ,總是由非平衡態(tài)走向平衡態(tài)1. 開爾文表述 （1851 年）：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機(jī) ,只從單 一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。以上我們從正反兩個方面說明了關(guān)于熱力學(xué)第二定律的兩種說法是 等價的，它們都是關(guān)于自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程的進(jìn)行方向的規(guī) 律。其實(shí)，熱力學(xué)第二定律還可以有其他很多種不同的表述方式。例 如我國有

16、一句成語“覆水難收” ，其實(shí)是“覆水不收”。臉盆里的水潑 到地上， 是不可能再收回來的， 這也可以看作是熱力學(xué)第二定律的一 種表述形式。 廣義地講， 只要指明某個方面不可逆過程進(jìn)行的方向性 就可以認(rèn)為是熱力學(xué)第二定律的一種表述，因?yàn)樗胁豢赡?。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)可逆過程與不可逆過程一個熱力學(xué)系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài)。 若存在另一過程， 能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原 （即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)， 同時消除了原來過程對外界的一切影響 ），則原來的過程稱為“可逆 過程”。反之，如果用任何方法都不可能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則 稱之為“不可逆過程”?？赡孢^程是一種理想化的抽象， 嚴(yán)格來講現(xiàn)

17、實(shí)中并不存在 （但它在理 論上、計算上有著重要意義 ）。大量事實(shí)告訴我們：與熱現(xiàn)象有關(guān)的 實(shí)際宏觀過程都是不可逆過程。對于開氏與克氏的兩種表述的分析克氏表述指出：熱傳導(dǎo)過程是不可逆的。開氏表述指出：功變熱 （確 切地說，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 ）的過程是不可逆的。兩種表述其實(shí)質(zhì)就是分別挑選了一種典型的不可逆過程，指出它所 產(chǎn)生的效果不論用什么方法也不可能使系統(tǒng)完全恢復(fù)原狀， 而不引起 其他變化。 請注意加著重號的語句：“而不引起其他變化”。比如，制冷機(jī) （如 電冰箱 ）可以將熱量 Q 由低溫 T2 處（冰箱內(nèi) ）向高溫 T1 處（冰箱外的外 界）傳遞，但此時外界對制冷機(jī)做了電功 W 而引起了變化，

18、并且高溫 物體也多吸收了熱量 Q（這是電能轉(zhuǎn)化而來的）。這與克氏表述并不矛 盾。不可逆過程幾個典型例子氣體向真空自由膨脹 ） 如圖 1 所示，容器被中間的隔板分為體積相 等的兩部分： A 部分盛有理想氣體， B 部分為真空?，F(xiàn)抽掉隔板，則 氣體就會自由膨脹而充滿整個容器。例 2（兩種理想氣體的擴(kuò)散混合 ） 如圖 2 所示，兩種理想氣體 C 和 D 被隔板隔開，具有相同的溫度和壓強(qiáng)。當(dāng)中間的隔板抽去后，兩種氣 體發(fā)生擴(kuò)散而混合。例 3 焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)。這是一個不可逆過程。在實(shí)驗(yàn)中，重物下降帶動葉片轉(zhuǎn)動而對水做 功，使水的內(nèi)能增加。 但是，我們不可能造出這樣一個機(jī)器：在其循 環(huán)動作中把一重物升

19、高而同時使水冷卻而不引起外界變化。 由此即可 得熱力學(xué)第二定律的“普朗克表述” 。再如焦耳 -湯姆生 （開爾文）多孔 塞實(shí)驗(yàn)中的節(jié)流過程和各種爆炸過程等都是不可逆過程。熱力學(xué)第二定律的含義對上面所列舉的不可逆過程以及自然界中其他不可逆過程，我們完 全能夠由某一過程的不可逆性證明出另一過程的不可逆性， 即自然界 中的各種不可逆過程都是互相關(guān)聯(lián)的。 我們可以選取任一個不可逆過 程作為表述熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)。 因此，熱力學(xué)第二定律就可以有 多種不同的表達(dá)方式。 但不論具體的表達(dá)方式如何， 熱力學(xué)第二定律 的實(shí)質(zhì)在于指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的， 并指出這些過程自發(fā)進(jìn)行的方向。熱

20、力學(xué)第二定律，也可以確定一個新的態(tài)函數(shù)一一熵。可以用熵來對第二定律作定量的表述。第二定律指出在自然界中任何的過程都不可能自動地復(fù)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(xué) 系統(tǒng)所進(jìn)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，人們就用態(tài)函數(shù)熵來描述這個差異， 從理論上可以進(jìn)一步證明 ：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(xué)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)。第二定

21、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。熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用(1) 熱力學(xué)第二定律是宏觀規(guī)律，對少量分子組成的微觀系統(tǒng)是不 適用的。(2) 熱力學(xué)第二定律適用于“絕熱系統(tǒng)”或“孤立系統(tǒng)”，對于生命體(開放系統(tǒng))是不適用的。早在1851年開爾文在敘述熱力學(xué)第二定 律時，就曾特別指明動物體并不像一架熱機(jī)一樣工作，熱力學(xué)第二定律只適用于無生命物質(zhì)。(3) 熱力學(xué)第二定律是建筑在有限的空間和時間所觀察到的現(xiàn)象上，不能被外推應(yīng)用于整個宇宙。19世紀(jì)后半期，有些科學(xué)家錯誤地把 熱力學(xué)第二定律應(yīng)用到無限的、開放的宇宙，提出了所謂“熱寂說”。 他們聲稱：將來總

22、有一天，全宇宙都是要達(dá)到熱平衡，一切變化都將 停止，從而宇宙也將死亡。要使宇宙從平衡狀態(tài)重新活動起來，只有靠外力的推動才行。這就會為“上帝創(chuàng)造世界”等唯心主義提供了所 謂“科學(xué)依據(jù)”?！盁峒耪f”的荒謬，在于把無限的、開放的宇宙當(dāng)做熱力學(xué)中所說 的“孤立系統(tǒng)”。熱力學(xué)中的“孤立系統(tǒng)”與無所不包、完全沒有外 界存在的整個宇宙是根本不同的。 事實(shí)上，科學(xué)后來的發(fā)展已經(jīng)提供 了許多事實(shí)，證明宇宙演變的過程不遵守?zé)崃W(xué)第二定律。 正如恩格 斯在自然辯證法中指出了“熱寂說”的謬誤。他根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動不 滅的原理，深刻地指出：“放射到太空中去的熱一定有可能通過某種 途徑一一指明這一途徑，將是以后自然科學(xué)的課題一

23、一轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪贿\(yùn) 動形式，在這種運(yùn)動形式中，它能重新集結(jié)和活動起來?！睙崃W(xué)第 二定律和熱力學(xué)第一定律一樣， 是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，它的正確性是由 它的一切推論都為實(shí)踐所證實(shí)而得到肯定熵是體系微觀狀態(tài)出現(xiàn)幾率的量度，也是體系無序程度的量度。熱 力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義是：一個不受外界影響的“孤立系統(tǒng)”，其 內(nèi)部發(fā)生的過程，總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行，由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行。時間的理解我們已經(jīng)知道，熱力學(xué)第二定律事實(shí)上是所有單向變化過程的共同 規(guī)律，而時間的變化就是一個單向的不可逆過程，對每個人都一樣， 時間一去不復(fù)還，因此還可以這樣理解：時間的方向，

24、就是熵增加的 方向。這樣，熱力學(xué)第二定律就給出了時間箭頭。 物理學(xué)的進(jìn)一步研 究表明，能量守恒與時間的均勻性有關(guān)。這就是說，熱力學(xué)第一定律 告訴我們，時間是均勻流逝的。結(jié)果我們看到：熱力學(xué)第一定律指出， 時間是均勻的；熱力學(xué)第二定律指出，時間是有方向的。 這兩條定律 合在一起告訴我們：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。 正如一句 古詩描述的情景：“長溝流月去無聲”。這使得我們可以從另一新的 角度來認(rèn)識時間。30歲的英國青年物理學(xué)家霍金（變化只能增加，不能減少，即A - 0。這個定理認(rèn)為，物質(zhì)落入黑洞、兩個黑洞相撞等導(dǎo)致黑洞面積增加 的過程，是可以發(fā)生的。而一個黑洞分裂為兩個黑洞的情況，由于會

25、導(dǎo)致黑洞面積減少，因而是不可能發(fā)生的。 面積定理，不由使人想起 熱力學(xué)中的“熵”。但是黑洞面積與熵是風(fēng)馬牛不相及的兩種東西， 這樣去聯(lián)想它們，是不是太荒唐了呢？幾乎與此同時，青年物理學(xué)家貝根斯坦和斯馬爾，各自獨(dú)立得出了 關(guān)于黑洞的一個重要公式。 這個公式把黑洞的一些參量組合成了類似 于熱力學(xué)第一定律的形式式中M、J、Q分別是黑洞的總質(zhì)量、總角動量、總電荷； A、Q、V 分別是黑洞的表面積、轉(zhuǎn)動角速度和表面上的靜電勢。k稱為黑洞的表面重力。非常相似。式中U、T、S分別是系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度和熵； Q、J、V、Q等物理意義與前式類似。比較這兩個公式不難看出，黑 洞面積A確實(shí)像熵S,而黑洞的表面重力k非

26、常像溫度T。不久，人們 又研究出黑洞的另外兩個性質(zhì)， 很像普通熱力學(xué)的第零定律和第三定 律。下表比難道黑洞真的有溫度嗎？為此人們進(jìn)行了熱烈的爭論。 1973 年霍 金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞專家聯(lián)名發(fā)表了一篇論文，聲稱： 可以模仿熱力學(xué)定律給出黑洞力學(xué)的四條定律， 但黑洞的溫度不能看 作真實(shí)溫度， 因?yàn)楹诙礇]有熱輻射 （不可能有任何物質(zhì)跑出黑洞！ ）， 而有真實(shí)溫度的物體，應(yīng)該有熱輻射。因此他們把黑洞的四條定律， 謹(jǐn)慎地稱為“黑洞力學(xué)四定律”，而不是“黑洞熱力學(xué)四定律”。但是，幾個月后（ 1973 年底），霍金就宣稱，他已證明，黑洞有熱 輻射，黑洞的溫度是真實(shí)的，其值為式中kB是玻爾茲曼常

27、數(shù)，k是黑洞表面的重力加速度。對于一個 M=Ms （太陽質(zhì)量）的黑洞，T=6 X 10 -8K，可以忽略不計；而對于 一個質(zhì)量為10億噸的小黑洞，溫度可達(dá)1012K。隨著黑洞質(zhì)量不斷減 少，黑洞的溫度急劇升高， 輻射越來越強(qiáng)， 直至黑洞消亡為止。 所以， “黑洞不黑， 他會蒸發(fā)； 黑洞不黑， 越小越白。 ”黑洞熱輻射的發(fā)現(xiàn)， 是黑洞研究的重大突破， 也是時空理論的重大突破。 為了紀(jì)念霍金的 功績，人們把黑洞熱輻射叫做霍金輻射。1998 年5月，安裝在哈勃望遠(yuǎn)鏡上的最新紅外線攝象機(jī)拍攝的一些 照片表明，在距離地球1000萬光年的半人馬座A射電源的中央，存在 一個巨大的黑洞，其質(zhì)量比 10 億個太

28、陽還要大，它正在吞噬由恒星 構(gòu)成的一個螺旋形星系。這些被高速吞噬的物質(zhì)的溫度達(dá)數(shù)百萬開， 從而使黑洞中有超熱氣流噴出，并且發(fā)出強(qiáng)大的 X射線和射電信號。2.3.3 耗散結(jié)構(gòu)理論的形成（1 ） 自組織現(xiàn)象與經(jīng)典熱力學(xué)的矛盾一個系統(tǒng)內(nèi)部由無序自發(fā)地變?yōu)橛行?，使其中大量分子或單元按?定的規(guī)律運(yùn)動的現(xiàn)象， 稱為自組織現(xiàn)象。 生命過程和無生命過程都存 在著自組織現(xiàn)象。生命過程中，從分子、細(xì)胞直到有機(jī)個體和群體的 不同水平上， 無論在空間還是在時間上， 都呈現(xiàn)初了有序現(xiàn)象。 際上， 生物體持續(xù)進(jìn)行的自組織過程，就是系統(tǒng)內(nèi)不平衡的表現(xiàn)，而且，這 一過程不會達(dá)到平衡； 一旦達(dá)到平衡，有序狀態(tài)就會消失，生命也

29、就 終止了。因此，這些自組織現(xiàn)象無法用玻耳茲曼有序原理來解釋?，F(xiàn) 象等。 無生命世界和有生命世界都有自組織現(xiàn)象， 使人們認(rèn)識到這兩 個世界在這方面遵循著相同的規(guī)律。普利高津( I.Prigogine ， 1917 )的耗散結(jié)構(gòu)理論， 就是在把物理和生物過程結(jié)合起來研究時提出 來的，著重用熱力學(xué)方法進(jìn)行分析。哈肯( H.Haken )在研究激光 發(fā)射過程并與生物過程等加以類比的基礎(chǔ)上， 于 1976 年創(chuàng)立的協(xié)同 學(xué)，著重于用統(tǒng)計物理的方法進(jìn)行分析。(2)通過漲落達(dá)到有序耗散結(jié)構(gòu)的形成 當(dāng)代比利時著名物理學(xué)家普利高津( I.Prigogine ， 1917 )認(rèn)為 熱力學(xué)第二定律是自然界的一條基

30、本規(guī)律。 他在不違背熱力學(xué)第二定 律的條件下，找到了開放系統(tǒng)由無序狀態(tài)變?yōu)樾碌挠行驙顟B(tài)的途徑， 解決了經(jīng)典熱力學(xué)與生物進(jìn)化論之間的矛盾。 開放系統(tǒng)就是與封閉系 統(tǒng)、孤立系統(tǒng)相反，是不斷地與外界交換物質(zhì)和能量的系統(tǒng)。對于非 孤立系統(tǒng)， 熵產(chǎn)生，由系統(tǒng)內(nèi)部不可逆過程產(chǎn)生；熵流，由 系統(tǒng)與外界交換能量或物質(zhì)所引起。 熵產(chǎn)生 ，永遠(yuǎn)不可能為負(fù)值，而 熵流則可正可負(fù)還可為零。 由于外界有負(fù)熵流入， 系統(tǒng)的總熵可以保 持不變乃至減小，系統(tǒng)保持穩(wěn)定或者達(dá)到有序，形成“耗散結(jié)構(gòu)”。 在開放和遠(yuǎn)離平衡的條件下，在與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過程 中，通過能量耗散過程和內(nèi)部的非線性動力學(xué)機(jī)制來形成和維持的宏 觀時空

31、有序結(jié)構(gòu)，。他認(rèn)為，宇宙是一個無限發(fā)展的開放系統(tǒng)， 自然 界不會變得越來越無序， 而會變得越來越， 會形成各種新的有序結(jié)構(gòu)， 因此，他也不同意宇宙熱寂說。從目前天文物理觀測事實(shí)來看， 宇宙 不是向著熱寂發(fā)展，而是離開熱平衡態(tài)越來越遠(yuǎn)。摘 要：熱力學(xué)第一定律亦即能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，廣泛地應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域。 本文回顧了其建立的背景及經(jīng)過， 它的準(zhǔn)確的文字表 述和數(shù)學(xué)表達(dá)式，及它在理想氣體、熱機(jī)的應(yīng)用。關(guān)鍵字：熱力學(xué)第一定律；內(nèi)能定理；焦耳定律；熱機(jī)；熱機(jī)效率 引言在 19 世紀(jì)早期，不少人沉迷于一種神秘機(jī)械第一類永動機(jī)的制 造，因?yàn)檫@種設(shè)想中的機(jī)械只需要一個初始的力量就可使其運(yùn)轉(zhuǎn)起 來，之后不再

32、需要任何動力和燃料， 卻能自動不斷地做功。在熱力學(xué) 第一定律提出之前， 人們一直圍繞著制造永動機(jī)的可能性問題展開激 烈的討論。 直至熱力學(xué)第一定律發(fā)現(xiàn)后， 第一類永動機(jī)的神話才不攻 自破。本文就這一偉大的應(yīng)用于生產(chǎn)生活多方面的定律的建立過程、 具體表述、及生活中的應(yīng)用熱機(jī)，進(jìn)行簡單展開。1熱力學(xué)第一定律的產(chǎn)生1.1 歷史淵源與科學(xué)背景人類使用熱能為自己服務(wù)有著悠久的歷史,火的發(fā)明和利用是人類支配自然力的偉大開端 ,是人類文明進(jìn)步的里程碑。中國古代就對火 熱的本性進(jìn)行了探討 ,殷商時期形成的“五行說”金、木、水、 火、土 ,就把火熱看成是構(gòu)成宇宙萬物的五種元素之一。北宋時劉晝更明確指出“木性藏火

33、 ,故煉金則水出 ,鉆木而生火?！惫?希臘米利都學(xué)派的那拉克西曼德 （約公元前 611547） 把火看成是與 土、水、氣并列的一種原素 ,它們都是由某種原始物質(zhì)形成的世界四 大主要元素。恩培多克勒（Empedocles約公元前500430）更明確提 出四元素學(xué)說 ,認(rèn)為萬物都是水、火、土、氣四元素在不同數(shù)量上不 同比例的配合 ,與我國的五行說十分相似。但是人類對熱的本質(zhì)的認(rèn) 識卻是很晚的事情。 18 世紀(jì)中期 ,蘇格蘭科學(xué)家布萊克等人提出了熱 質(zhì)說。這種理論認(rèn)為 ,熱是由一種特殊的沒有重量的流體物質(zhì) ,即熱質(zhì) （熱素）所組成 ,并用以較圓滿地解釋了諸如由熱傳導(dǎo)從而導(dǎo)致熱平 衡、相變潛熱和量熱學(xué)

34、等熱現(xiàn)象 ,因而這種學(xué)說為當(dāng)時一些著名科學(xué) 家所接受 ,成為十八世紀(jì)熱力學(xué)占統(tǒng)治地位的理論。十九世紀(jì)以來熱之唯動說漸漸地為更多的人們所注意。特別是英國 化學(xué)家和物理學(xué)家克魯克斯 （ 18321919）,所做的風(fēng)車葉輪旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) , 證明了熱的本質(zhì)就是分子無規(guī)則動的結(jié)論。 熱動說較好地解釋了熱質(zhì) 說無法解釋的現(xiàn)象 ,如摩擦生熱等。使人們對熱的本質(zhì)的認(rèn)識大大地 進(jìn)了一步。戴維以冰塊摩擦生熱融化為例而寫成的名為論熱、 光及 光的復(fù)合的論文 ,為熱功相當(dāng)提供了有相當(dāng)說服力的實(shí)例 ,激勵著更 多的人去探討這一問題。1.2 熱力學(xué)第一定律的建立過程在 18 世紀(jì)末 19 世紀(jì)初，隨著蒸汽機(jī)在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用

35、，人們越 來越關(guān)注熱和功的轉(zhuǎn)化問題。 于是，熱力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。 1798年，湯普 生通過實(shí)驗(yàn)否定了熱質(zhì)的存在。 德國醫(yī)生、物理學(xué)家邁爾在 1841-1843 年間提出了熱與機(jī)械運(yùn)動之間相互轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)， 這是熱力學(xué)第一定律 的第一次提出。 焦耳設(shè)計了實(shí)驗(yàn)測定了電熱當(dāng)量和熱功當(dāng)量， 用實(shí)驗(yàn) 確定了熱力學(xué)第一定律，補(bǔ)充了邁爾的論證。德國物理學(xué)家、醫(yī)生邁 爾：德國物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾（aye, 18141878 1840年2月到1841 年 2月作為船醫(yī)遠(yuǎn)航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同， 發(fā)現(xiàn)體力和體熱來源于食物中所含的化學(xué)能， 提出如果動物體能的輸 入同支出是平衡的， 所有這些形式的能在量上

36、就必定守恒。 他由此受 到啟發(fā)， 去探索熱和機(jī)械功的關(guān)系。 他將自己的發(fā)現(xiàn)寫成 論力的量 和質(zhì)的測定一文，但他的觀點(diǎn)缺少精確的實(shí)驗(yàn)論證，論文沒能發(fā)表 （直到 1881年他逝世后才發(fā)表） 。邁爾很快覺察到了這篇論文的缺陷， 并且發(fā)奮進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。 1842 年他發(fā)表了論無機(jī)性質(zhì)的 力的論文，表述了物理、化學(xué)過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的 思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量的 人。但 1842 年發(fā)表的這篇科學(xué)杰作當(dāng)時未受到重視。1843年8月 21日焦耳在英國科學(xué)協(xié)會數(shù)理組會議上宣讀了 論磁電 的熱效應(yīng)及熱的機(jī)械值論文，強(qiáng)調(diào)了自然界的能是等量轉(zhuǎn)換、 不會 消滅的

37、，哪里消耗了機(jī)械能或電磁能， 總在某些地方能得到相當(dāng)?shù)臒帷?焦耳用了近 40 年的時間，不懈地鉆研和測定了熱功當(dāng)量。他先后用 不同的方法做了 400 多次實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：熱功當(dāng)量是一個普適常量， 與做功方式無關(guān)。他自己 1878年與 1849年的測驗(yàn)結(jié)果相同。后來公 認(rèn)值是 427 千克重米每千卡。這說明了焦耳不愧為真正的實(shí)驗(yàn)大師。 他的這一實(shí)驗(yàn)常數(shù)，為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律提供了無可臵疑的證據(jù)。1847 年，亥姆霍茲發(fā)表論力的守恒 ，第一次系統(tǒng)地闡述了能量 守恒原理， 從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、 光、電、磁、 化學(xué)反應(yīng)等過程， 揭示其運(yùn)動形式之間的統(tǒng)一性， 它們不僅可以相互 轉(zhuǎn)化，

38、 而且在量上還有一種確定的關(guān)系。 能量守恒與轉(zhuǎn)化使物理學(xué)達(dá) 到空前的綜合與統(tǒng)一。 將能量守恒定律應(yīng)用到熱力學(xué)上， 就是熱力學(xué)第一定律 1。2.熱力學(xué)第一定律的表述 2.1熱力學(xué)第一定律的文字表述 自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形 式轉(zhuǎn)化為另一種形式， 從一個物體傳遞給另一個物體， 在轉(zhuǎn)化和傳遞 中能量的數(shù)量保持不變。 該定律就稱為熱力學(xué)第一定律， 也稱為能量 轉(zhuǎn)換與守恒定律，這一定律也被表示為：第一類永動機(jī)（不消耗任何 形式的能量而能對外做功的機(jī)械）是不能制作出來的 2。2.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式2.2.1內(nèi)能定理將能量守恒與轉(zhuǎn)換定律應(yīng)用于熱效應(yīng)就是熱力學(xué)第一定律，但是能 量

39、守恒與轉(zhuǎn)化定律僅是一種思想， 它的發(fā)展應(yīng)借助于數(shù)學(xué)。 馬克思講 過，一門科學(xué)只有達(dá)到了能成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時，才算真正發(fā)展了。另 外，數(shù)學(xué)還可給人以公理化方法， 即選用少數(shù)概念和不證自明的命題 作為公理， 以此為出發(fā)點(diǎn)，層層推論， 建成一個嚴(yán)密的體系。熱力學(xué) 也理應(yīng)這樣的發(fā)展起來。 所以下一步應(yīng)該建立熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué) 表達(dá)式。 第一定律描述功與熱量之間的相互轉(zhuǎn)化， 功和熱量都不是系 統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)， 我們應(yīng)該找到一個量綱也是能量的， 與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān) 的函數(shù)（即態(tài)函數(shù)） ，把它與功和熱量聯(lián)系起來，由此說明功和熱量 轉(zhuǎn)換的結(jié)果其總能量還是守恒的。在力學(xué)中，外力對系統(tǒng)做功，引起系統(tǒng)整體運(yùn)動狀態(tài)的改變，

40、使系統(tǒng)總機(jī)械能（包括動能和外力場中的勢能） 發(fā)生變化。系統(tǒng)狀態(tài)確定 了，總機(jī)械能也就確定了，所以總機(jī)械能是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。而在熱 學(xué)中，煤質(zhì)對系統(tǒng)的作用使系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變， 它所改變的能量 發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部。內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子（例如分子、原子等）的微觀的無序 運(yùn)動能以及總的相互作用勢能兩者之和。 內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，處于平衡 態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)能是確定的。內(nèi)能與系統(tǒng)狀態(tài)之間有對應(yīng)的關(guān)系。內(nèi)能定理從能量守恒原理知：系統(tǒng)吸熱，內(nèi)能應(yīng)增加；外界對系統(tǒng)做功，內(nèi) 能也增加。若系統(tǒng)既吸熱，外界又對系統(tǒng)做功，則內(nèi)能增加應(yīng)等于這 兩者之和。為了證明內(nèi)能是態(tài)函數(shù)，也為了能對內(nèi)能做出定量的定義， 先考慮一種較為簡單

41、的情況絕熱過程，即系統(tǒng)既不吸熱也不放熱 的過程。焦耳做了各種絕熱過程的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果是：一切絕熱過程中 使水升高相同的溫度所需要做的功都是相等的。這 系統(tǒng)在從同一初態(tài)變?yōu)橥荒B(tài)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功是 一個恒量，這個恒量就被定義為內(nèi)能的改變量，即U2-U/W絕熱（內(nèi)能定理）因?yàn)閃絕熱僅與初態(tài)、末態(tài)有關(guān)，而與中間經(jīng)歷的是怎樣的絕 熱過程無關(guān)，故內(nèi)能是態(tài)函數(shù) 。3.熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用3.1焦耳實(shí)驗(yàn)理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，即U -U T（1）這一規(guī)律稱為焦耳定律，是一個很重要的定律 ，它是理想氣體宏觀 定義的兩個條件之一。從微觀角度很容易理解，因?yàn)槔硐霘怏w忽略分 子間的作用力 , 不

42、考慮分子問的相互作用勢能。在宏觀理論中 , 一般 是通過介紹焦耳實(shí)驗(yàn)得到焦耳定律的。取 1 摩爾氣體 , 由熱力學(xué)關(guān)系式其中U ,V和Cm,v，分別為氣休的摩爾內(nèi)能、摩爾體積和定容摩爾熱容量,T為氣休的熱力學(xué)溫度，為了測定氣體的內(nèi)能對體積的依賴關(guān)系,焦耳曾于 1845年做了如圖所示的氣體自由膨脹實(shí)驗(yàn) ,容器 A 中充滿被 壓縮的氣體，容器B為真空,A、B相聯(lián)處用一活門C隔開，整個裝臵放 入量熱器的水中。當(dāng)活門C打開后，氣體將自由膨脹充滿整個容器。 這就是著名的焦耳實(shí)驗(yàn)。焦耳測量了氣體膨脹前后水的平衡溫度,發(fā)現(xiàn)水的平衡溫度沒有改變。 這一結(jié)果說明兩點(diǎn) , 第一,氣體在膨脹過程 中與水沒有熱量交換 , 因而氣體進(jìn)行的是絕熱自由膨脹過程；第二 , 膨脹前后氣體的溫度沒有改變。由第一點(diǎn) ,根據(jù)熱力學(xué)第一定律