熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律林曉東文科物理1熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律一、熱力學(xué)第零定律

如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡。

這個(gè)定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)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(gè)數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。2熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律溫標(biāo)與溫度

溫標(biāo)包括三個(gè)要素：測溫物質(zhì)及其測溫屬性、定標(biāo)點(diǎn)、分度法。

攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)的規(guī)定是：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1013.25百帕斯卡）下，水（冰）的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分為100等份，每等份為1℃。歷史

1742年，瑞典天文學(xué)家安德斯·攝西阿斯（AndersCelsius，1701-1744）將一大氣壓下的水的冰點(diǎn)規(guī)定為100℃，沸點(diǎn)訂為0℃，兩者間均分成100個(gè)刻度，和現(xiàn)行的攝氏溫標(biāo)剛好相反。直到1743年才被修成現(xiàn)行的攝氏溫標(biāo)。

1954年的第十屆國際度量衡大會(huì)特別將此溫標(biāo)命名為“攝氏溫標(biāo)”，以表彰攝氏的貢獻(xiàn)。3熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律2.絕對溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)、開氏（Kelvin）溫標(biāo)）

規(guī)定攝氏零度以下273.15℃為零點(diǎn)，稱為絕對零點(diǎn)。其分度法與攝氏溫標(biāo)相同（即絕對溫標(biāo)上相差1K時(shí)，攝氏溫標(biāo)上也相差1℃）；所不同的只是絕對溫標(biāo)上水的冰點(diǎn)定為273.15K，沸點(diǎn)定為373.15K。絕對零度，也就是-273.15℃（攝氏度）。理論上的最低溫度，沒有一個(gè)地方有這個(gè)溫度，人類也不可能制造出來這個(gè)溫度，只能無限的接近。在這溫度下物體沒有熱能。

1995年，科羅拉多大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所的兩位物理學(xué)家愛克·科內(nèi)爾和卡爾威曼利用激光束和“磁陷阱”系統(tǒng)使原子的運(yùn)動(dòng)變慢，成功地使一些銣原子溫度達(dá)到了絕對零度之上的十億分之二十度（2×10-8K）。事實(shí)上，在這樣的非常溫度下，物質(zhì)呈現(xiàn)的既不是液體狀態(tài)，也不是固體狀態(tài)，更不是氣體狀態(tài)，而是聚集成唯一的“超原子”，它表現(xiàn)為一個(gè)單一的實(shí)體。

4熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律3.華氏溫標(biāo)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32℉，水的沸點(diǎn)為212℉，中間有180等分，每等分為華氏1度。

華氏溫度與攝氏度的換算為：

F=9/5C+32

C=5/9(F–32)

1714年，德國物理學(xué)家華倫海特（DanielGabrielFahrenheit，1686-1736）基于虎克的研究，將北愛爾蘭最冷的某個(gè)冬日，水銀柱降到最低的高度定為零度

，0℉，而概略的將人體溫度定為100℉，兩者間等分成100個(gè)刻度。后來，華倫海特改進(jìn)了他創(chuàng)立的溫標(biāo)，把冰、水、氯化銨和氯化鈉的混合物的熔點(diǎn)定為零度，以0°F表示之，把冰的熔點(diǎn)定為32°F，把水的沸點(diǎn)定為212°F，在32→212的間隔內(nèi)均分180等分。5熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律6熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律二、熱力學(xué)第一定律1.羅伯特·邁爾的靈感

1840到1841年初，邁爾在一艘開往印度尼西亞的荷蘭商船上當(dāng)了幾個(gè)月的隨船醫(yī)生。在醫(yī)治中邁爾發(fā)現(xiàn)船員處于熱帶時(shí)的靜脈血比在溫帶（歐洲）時(shí)見的靜脈血的顏色要紅些。他還聽到海員們說，下雨時(shí)海水比較熱。這些現(xiàn)象引起了邁爾的深思。他想到，食物中含有化學(xué)能，它象機(jī)械能一樣可以轉(zhuǎn)化為熱；在熱帶高溫情況下，機(jī)體只需要吸收食物中較少的熱量，所以機(jī)體中食物的燃燒過程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。另外，雨滴降落所獲得的活力，也會(huì)產(chǎn)生出熱來。邁爾認(rèn)為，除了人體體熱來自由食物轉(zhuǎn)化而來的化學(xué)能之外，人體動(dòng)力也來自同一能源。這樣看來，熱能、化學(xué)能、機(jī)械能都是等價(jià)的，而且是可以相互轉(zhuǎn)化的。邁爾把他對能量定律的最初發(fā)現(xiàn)寫成了一篇題為《論力的量和質(zhì)的測定》的論文，投給德國當(dāng)時(shí)的權(quán)威性刊物《物理學(xué)和化學(xué)年鑒》。但是，該雜志的主編波根道夫認(rèn)為邁爾的文章引入了思辨的內(nèi)容和缺少精確的實(shí)驗(yàn)根據(jù)而不予發(fā)表。邁爾在初次受挫之后，并不氣餒，繼續(xù)努力。后來他又寫成《論無機(jī)界的力》一文，這篇文章被一向注意各種自然力之間的關(guān)系的李比希發(fā)表于他主編的《化學(xué)和藥學(xué)年刊》1842年5月號上。7熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律2.焦耳的實(shí)驗(yàn)

（各類實(shí)驗(yàn)歷時(shí)40年）

在圖A中，水盛在由絕熱壁構(gòu)成的容器內(nèi)，重物下降帶動(dòng)葉片在水中攪動(dòng)，水溫受葉片攪動(dòng)而升高。如果把水和葉片看作體系，其溫度的升高(狀態(tài)的改變)完全是重物下降作功的結(jié)果。在圖B中，水和電阻器放在由絕熱壁構(gòu)成的容器內(nèi)，接上電源，讓穩(wěn)定電流通過電阻器而使水溫升高。如果把水和電阻器看作體系，其溫度的升高完全是電源作功的結(jié)果。這兩個(gè)絕熱過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使同量之水升高一定的溫度，所需的功在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是相等的。1Cal=4.18J熱功當(dāng)量8熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律3.亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz，1821～1894）的貢獻(xiàn)

德國物理學(xué)家，生理學(xué)家。1847年他在德國物理學(xué)會(huì)發(fā)表了關(guān)于力的守恒講演，在科學(xué)界贏得很大聲望，次年擔(dān)任了柯尼斯堡大學(xué)生理學(xué)副教授。亥姆霍茲在這次講演中，第一次以數(shù)學(xué)方式提出能量守恒定律。主要論點(diǎn)是：①一切科學(xué)都可以歸結(jié)到力學(xué)。②強(qiáng)調(diào)了牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的，因而可以用拉氏方法以力所傳遞的能量或它所作的功來量度力。③所有這種能量是守恒的。亥姆霍茲發(fā)展了邁爾、焦耳等人的工作，討論了已知的力學(xué)的、熱學(xué)的、電學(xué)的、化學(xué)的各種科學(xué)成果，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣撟C了各種運(yùn)動(dòng)中能量守恒定律。這次講演內(nèi)容后來寫成專箸《力之守恒》出版。9熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

熱力學(xué)第一定律：也叫能量不滅原理，就是能量守恒定律。

基本內(nèi)容：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時(shí)，也必產(chǎn)生一定的功。

外界對系統(tǒng)所傳遞的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，一部分用于系統(tǒng)對外做功。10熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

第一類永動(dòng)機(jī)：

歷史上有不少人希望設(shè)計(jì)一種機(jī)器，這種機(jī)器不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功。這種機(jī)器被稱為永動(dòng)機(jī)。

/bbs/viewthread.php?tid=106211熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律水力“永動(dòng)機(jī)”

1775的，法國科學(xué)院宣布：

本科學(xué)院以后不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)。

12熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律蒸汽機(jī)13熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律二、熱力學(xué)第二定律

1.熱傳遞

熱傳遞有一種單向性：熱能會(huì)自發(fā)地從較高的溫度傳到較低的溫度，但不會(huì)自發(fā)地從較低的溫度傳到較高的溫度。

-----表述為熱傳遞定律的熱力學(xué)第二定律14熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律2.熱機(jī)：用熱能做功

燃燒、摩擦、擊打等均產(chǎn)生熱。自然界中產(chǎn)生熱能較容易----幾乎不可避免！

問題：何種過程或設(shè)備會(huì)將熱能轉(zhuǎn)化成其它形式的能量？

答案：熱機(jī)，即用熱能做功的循環(huán)裝置。

但人們發(fā)現(xiàn)：任何熱機(jī)的轉(zhuǎn)換過程是：熱能（輸入）功+熱能（損耗）15熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律熱機(jī)的效率：

表述為熱機(jī)定律的熱力學(xué)第二定律：用熱能做功的任何循環(huán)過程必定也有熱能損耗。或者說，熱機(jī)用熱能做功的效率永遠(yuǎn)小于100%。

輸出的功能量效率=---------------輸入的熱能16熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

結(jié)論：熱機(jī)實(shí)際上是利用熱能從熱向冷的自然流動(dòng)，分出一部分流動(dòng)的熱能來做功。

做功的必要條件：高溫端+低溫端做功效率與溫差有關(guān)。

T輸入-T排出能量效率=--------------T輸入17熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律18熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律3.能量的品質(zhì)：逐步降低熱量是一種特別的能量----品質(zhì)較低。任何產(chǎn)生熱能的過程都有一種單向性，也叫不可逆性。

一個(gè)系統(tǒng)一旦產(chǎn)生了熱能，這個(gè)系統(tǒng)就永遠(yuǎn)不能靠自己回到原先的狀態(tài)。

在能量轉(zhuǎn)換過程中，丟失的不是能量（能量是守恒的），但能量的品質(zhì)丟失了。19熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

當(dāng)我們使用地球上的能源時(shí)，并不會(huì)減少地球的總能量。我們只不過是將能量從高度有用的形式（如石油中的化學(xué)能）降低為不那么有用的形式（通常就是熱能）。于是能量的兩大定律之一告訴我們：能量的數(shù)量是守恒的。另一條定律則告訴我們：能量的品質(zhì)不斷下降。20熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

第二類永動(dòng)機(jī)從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響的熱機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī)。

在熱力學(xué)第一定律問世后，人們認(rèn)識到能量是不能被憑空制造出來的，于是有人提出，設(shè)計(jì)一類裝置，從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能作為驅(qū)動(dòng)永動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和功輸出的源頭，這就是第二類永動(dòng)機(jī)。歷史上首個(gè)成型的第二類永動(dòng)機(jī)裝置是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設(shè)計(jì)的零發(fā)動(dòng)機(jī)，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)槠蟮囊喊痹跊]有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。21熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律4.熵與熵增加定律

當(dāng)熱能從熱向冷流動(dòng)時(shí)，微觀無序程度總是增加。

熵：用來量度任何系統(tǒng)的微觀無序程度。這個(gè)物理量叫“熵”。22熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

表述為熵增加定律的熱力學(xué)第二定律：任何物理過程的全部參加者的總熵（或微觀無序程度）在過程中不會(huì)減少，但可能增加。

熵增加定律預(yù)言：大多數(shù)過程是不可逆的。事實(shí)上，除了在亞原子層級上有一種很微妙的效應(yīng)外，熱力學(xué)第二定律是區(qū)分向前與向后另個(gè)時(shí)間方向的唯一的物理學(xué)原理。23熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

假如熱力學(xué)第二定律不成立：

1.靜止放在桌子上的書會(huì)自發(fā)地跳到空中。（熱能→動(dòng)能+引力能）2.水能往山上（高處）流動(dòng)。3.熱能可以從冷流向熱。4.人會(huì)越活越年輕。

……

熱力學(xué)第二定律的可怕結(jié)論：宇宙熱寂論。24熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律容易混淆的現(xiàn)象

1.樹葉的生長CO2+H2O→葡萄糖分子

2.生命的演變單細(xì)胞生物→高度有序的植物與動(dòng)物25熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律熱力學(xué)第二定律并不排斥熱能的利用：

1.活塞將熱能轉(zhuǎn)換為功---汽車26熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律2.燃煤發(fā)電27熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律28熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律三、熱力學(xué)第三定律

1906年，德國物理學(xué)家能斯特在研究低溫條件下物質(zhì)的變化時(shí)，把熱力學(xué)的原理應(yīng)用到低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的規(guī)律，這個(gè)規(guī)律被表述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時(shí)，凝聚系(固體和液體）的熵（即熱量被溫度除的商）在等溫過程中的改變趨于零?！钡聡锢韺W(xué)家普朗克把這一定律改述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時(shí)，固體和液體的熵也趨于零。”這就消除了熵常數(shù)取值的任意性。1912年，能斯特又將這一規(guī)律表述為絕對零度不可能達(dá)到原理：“不可能使一個(gè)物體冷卻到絕對溫度的零度?！边@就是熱力學(xué)第三定律。29熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律制冷與供暖

1.什么叫“制冷”？制冷兩字只能說是技術(shù)上的術(shù)語，嚴(yán)格講是錯(cuò)誤的，世界上沒有那國的科學(xué)家能制造出“冷”來。

在物理學(xué)中沒有冷的定義?！袄洹焙汀盁帷笔窍鄬Φ?。我們把利用機(jī)械設(shè)備把降溫對象降到所需溫度的方法叫制冷，這是工程術(shù)語。熱量總是通過傳導(dǎo)、對流、輻射，從溫度高的物體轉(zhuǎn)移到溫度低的物體，絕不可能反過來進(jìn)行。一個(gè)物體失去一些熱量后，它的溫度也會(huì)降低一些?！爸评洹钡哪康木褪峭ㄟ^制冷系統(tǒng)，將空氣中的熱量向比空氣溫度更低的制冷劑傳遞，達(dá)到降低空氣溫度的目的。

30熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

什么叫制冷，比如我們將裝有一千克20℃冷水的水壺放到一塊燒到500℃的鐵板上，沒有多久水就開了，如果不拿開水壺，不多久水就干了。大家會(huì)說鋼板在對水加熱，反過來也可以說水在對鋼板降溫。而且，降了多少度，都可計(jì)算出來，因?yàn)橐磺Э怂畯?0℃升到100℃，它需要外界提供它80千卡熱量，水從100℃到燒干，它需要外界提供539千卡熱量，也就是說一公斤20℃冷水燒到干，要外界提供619千卡熱量。如果按制冷的角度它從外界或鋼板中提取了619千卡熱量而變成了水蒸汽，使鋼板降溫了，這就是制冷，是利用水對鋼板制冷。如果將水倒在鋼板上，那就更直觀了。這里的水就是制冷劑。

1kg純水溫度升高或降低1攝氏度，所吸收或放出的熱量為1kcal。1kcal＝4.1868kJ

31熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律32熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律33熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律34熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律2.供暖原理如果我們在壺嘴上套根管子，通到浴室，那就可以洗桑拿了，水壺就成小鍋爐了。水蒸汽進(jìn)了浴室馬上凝結(jié)成小水珠（霧氣），放出熱量使浴室內(nèi)溫度上升，同樣一公斤水燒成的一公斤蒸汽，汽在浴室里放出539大卡熱量后全部變成水，在蒸汽變成水的時(shí)候，小水珠的溫度是100℃，這是一個(gè)冷凝過程。當(dāng)然小水珠會(huì)繼續(xù)放出熱量而降低溫度，等水珠變成水滴落到地上或附在墻壁上時(shí)，只有30℃左右了，這就不是冷凝過程了，而只是普通降溫過程。同樣將鍋爐蒸汽通到室內(nèi)供熱排管中，室內(nèi)供熱排管對蒸汽來說就成了冷凝器。35熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律如果供應(yīng)的蒸汽壓力是1Kg/cm2

表壓力（實(shí)際是2個(gè)大氣壓），熱水汀表面溫度就是110℃，供熱排管向室內(nèi)空氣散發(fā)熱量，使室內(nèi)溫度上升，而蒸汽就在供熱排管內(nèi)冷凝成水，如果向室內(nèi)散發(fā)了539千卡熱量，供熱排管內(nèi)就冷凝下來1公斤水。按制冷角度來講，這整個(gè)過程就是煤燃燒的熱量被水吸收而沸騰，成為蒸汽，蒸汽帶著吸收來的熱量來到供熱排管，供熱排管的表面向空氣散發(fā)了熱量，蒸汽失去熱量后又重新冷凝成蒸餾水，這水可通過設(shè)備回到鍋爐繼續(xù)使用。36熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

3.

最簡單的制冷由四大要件組成：

①壓縮機(jī)；②冷凝器；③節(jié)流閥；④蒸發(fā)器。37熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律4.空調(diào)預(yù)備知識：

1.蒸發(fā)能制冷，蒸發(fā)越快，制冷越好。（如：酒精比水更容易蒸發(fā)

）溫度越高，蒸發(fā)越快。（如：洗曬的衣服，夏天比冬天容易干）

壓力越低，蒸發(fā)越快。（如：在青藏高原，水不到90℃就沸騰了，并開始蒸發(fā)

）

2.加壓可以使氣體變成液體，而且壓力越高，越容易變成液體。（如：液化氣）冷卻可以使氣體變成液體，溫度越低，越容易變成液體。（如：水蒸氣遇冷凝結(jié)成水）

38熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律39熱運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

5.空調(diào)的工作原理

（1）低溫、低壓的氣態(tài)氟里昂被吸入壓縮機(jī)，被壓縮成高溫高壓的氣體氟里昂；（絕熱壓縮，時(shí)間短）（2）氣態(tài)氟里昂流到室外的冷凝器，在向室外散熱過程中，逐漸冷凝成高壓液體氟里昂；（等溫壓縮）（3）通過節(jié)流裝置降壓又變成低溫低壓的氣液氟里昂混合物。（絕熱膨脹）

（4）此時(shí)，氣液混合的氟里昂就開始空調(diào)制冷：它進(jìn)入室內(nèi)的蒸發(fā)器，