高中物理实用辞典—热力学基本定律 素材

用心 爱心 专心 热力学基本定律热力学基本定律 通常是将热力学第一定律及第二定律视作热力学的基本 定律 但有时增加能斯特定理当作第三定律 又有时将温度存在定律当作第零定 律 一般将这四条热力学规律统称为热力学定律 热力学是热现象的宏观理论 它是以这四条定律为基础建立起来的理论 热力学第零定律热力学第零定律 若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学 系统处于热平衡状态 那么 这两个热力学系统也必定处于热平衡 这一结论称 做 热力学第零定律 热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温 度的测量方法 定律中所说的热力学系统是指由大量分子 原子组成的物体或物 体系 它为建立温度概念提供了实验基础 这个定律反映出 处在同一热平衡状 态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征 这一特征是由这些互为热平 衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数 这个状态函数被定义为温度 而温度相等是热平衡之必要的条件 因此 这一基本物理量实质是反映了系统的 某种性质 热力学第一定律热力学第一定律 是热力学的基本定律之一 是能的转化与守恒定律在热 力学中的表现 它指出热是物质运动的一种形式 并表明 一个体系内能增加的 量值 E E2 E1 等于这一体系所吸收的热量 Q 与外界对它所做的功之和 可表 示为 E E2 E1 Q W 即 W Q E 在这个公式中 突出了做功和热传递是改变系统内能的两种不 同形式 可通过做功和被传递的热量来量度系统内能的变化 在上述公式中 当 外界对系统作功时 W 为正值 若系统对外作功时 W 为负值 如外界向系统传 热 Q 即为正值 若系统向外界放热 则 Q 为负值 当 E 为正值时 表示系统 的内能增加 如果 E 为负值时 则表现系统的内能在减少 对热力学第一定律也可以从另一侧面来描述 即外界传递给系统的热量等于 系统内能的增量和系统对外所作的功的总和 如果外界传递给系统的热量为 Q 使系统从某一平衡状态到达另一平衡状态 内能的增加为 E2 E1 同时对外作功 W 则热力学第一定律可表示为 Q E2 E1 W 即 Q E W 在这个公式中 当系统从外界获得热量时 Q 0 为正值 而当系统向外界释放热量时 Q 0 为负值 若系统对外界作功 W 0 为正 值 若外界对系统作功 W 0 为负值 在系统内能增加时 E 为正值 若系 统的内能减少时 则 E 为负值 上式是从热机的效率角度考虑 外界传递给系统的热量 一部分用来增加系 统的内能 另一部分就是系统对外所作的功 在运用热力学第一定律的数学表达式 E W Q 解题时 应了解表达式的适用 范围 应注意各物理量的正 负号表示的意义 以及式中的各量单位要统一 对 用心 爱心 专心 热力学第一定律从广义上理解 应把系统内能的变化看作是系统所含的一切能量 如化学的 热的 电磁的 原子核的 场的能量等 的变化 而所作的功是各 种形式的功 于是热力学第一定律就成了能量转换和守恒定律 热力学第一定律也可表述为 第一类永动机是不可能制造的 第一类永动机第一类永动机 在热力学第一定律建立以前 人们曾幻想制造出一种永动 的机器 不需要任何燃料和动力 又不消耗系统本身的内能 却能不断对外做功 而且永远运转 这类机器叫 第一类永动机 根据能的转化与守恒定律 系统 在对外做功过程中 它的内能要减小 要想不减少它的内能 外界必须同时对它 传递热量或对它做功 不断地给系统补充能量 系统才能持续不断地对外做功 这种违背能量守恒与转化定律的器械 也就是违背热力学第一定律的器械永远也 不可能制造成 热力学第二定律热力学第二定律 热力学的基本定律之一 它是关于在有限空间和时间内 一切和热运动有关的物理 化学过程具有不可逆性的总结 自热力学第一定律被 发现以后 人们注意到许多自行发生的过程都是单方向的 例如热量从高温物体 传到低温物体 液体由高处向低处流动 气体的扩散与混合 其反向自行发生的 过程虽然没有违反第一定律 却从来还没有发现过 可见除了第一定律外 必定 还有其他的定则在限制这些过程的发生 克劳修斯 开尔文等人 从将热转变为 功时遇到的经验归纳成热力学第二定律 它实质上指出了宏观热现象的不可逆性 它的表述有很多种 但实际上都是互相等效的 如下列几种表述 1 克劳修斯表述 克劳修斯在 1850 年提出的 热量总是自动的从高温物体 传到低温物体 不可能自动地由低温物体向高温物体传递 在它的表述中 指出 在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移 而不能由低温物体自动向高 温物体转移 这个转变过程是不可逆的 若想让热传递方向逆转 则必须消耗功 才能实现 2 开尔文表述 开尔文在 1851 年提出的 不存在这样一种循环过程 系统 从单一热源吸取热量 使之完全变为有用功而不产生其他影响 表述中的 单一 热源 是指温度均匀并且恒定不变的热源 其他影响 指除了由单一热源吸热 把所吸的热用来作功以外的任何其他变化 若有其他影响产生时 把由单一热源 吸来的热量全部用来对外作功是可能的 自然界中任何形式的能都可能转变成热 但热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能 这种转变在自然 条件下也是不可逆的 热机在运行过程中 可连续不断地将热变为机械功 一定 伴随有热量的损失 第二定律和第一定律两者有所不同 第二定律阐明了过程进 行的方向性 开尔文还将它表述为 第二种永动机是不可能造成的 第二种永动机就是能 从单一的热源吸收热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响的机器 除克劳修斯 开尔文的表述外 还有各种不同的陈述 例如 热效率为 100 的热机是不可能造成的 热传导 摩擦所产生的热现象是不可逆的 不需 要由外加功而可操作的致冷机是不可能造成的等等 不论如何描述 其内容彼此 用心 爱心 专心 相同 不外乎主张不可逆变化的存在 从分子运动论的观点看 热运动是大量分 子的无规则运动 而作功则是大量分子的有规则的运动 无规则运动要变为有规 则运动的几率极小 而有规则的运动变成无规则运动的几率大 一个不受外界影 响的孤立系统 其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行 总 是从包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行 由 此可见热是不可能自发地变成功 这就是热力学第二定律的统计意义 根据热力学第零定律 确定了态函数 温度 根据热力学第一定律 确定 了态函数 内能和焓 根据热力学第二定律 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 热力学第二定律在引入熵的概念后 可用数学形式表示 其积分形式为 式中不等号对应于不可逆过程 等号对应于可逆过程 角码 1 和 2 分别表示 系统的初状态和末状态 S 表示系统的熵 热力学第二定律的微分形式 式中不等号对应于不可逆过程 等号对应于可逆过程 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 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 第二类永动机第二类永动机 只由单一的热源吸取热量而使其全部转变为对外界作功以 外 对其他外界不产生任何效应的循环过程而制造的机器 称为 第二类永动机 这是一种不可能实现的热机 而导致克劳修斯原理 并形成了热力学第二定律 的基础 这种热机虽然不违背热力学第一定律 却违背热力学第二定律 要想制 造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的 热力学第三定律热力学第三定律 此定律指出 设想通过几个有限的步骤使物体冷却到绝 对零度 是不可能的 这一表述是能斯脱于 1912 年根据对低温现象的研究得出 能斯脱定理的推论 P P V V 图图 对于一个均匀系统 在不受外力场的作用下 如气体系统的压强 P 体积 V 和温度 T 三个状态参量中 只有两个是独立的 或者说只要确定其中 两个 就可以确定系统的一个平衡态 因此在以 V 为横坐标 以 P 为纵坐标的坐 标系中 用一点可表示系统的一个平衡态 用一条线可表示系统的一种准静态过 程 由此构成了 P V 图 但是非静态过程和非平衡态都不能在 P V 图中表示 用心 爱心 专心 循环循环 一热力系统 从某一宏观状态出发 经过任意的一系列状态变化后 又恢复到原来的状态 如此周而复始的变化过程就组成了一个循环过程 称做 循环 循环过程即为在过程的终点 系统又回到起始状态 如果一个循环所包含的过程都是准静态过程 这一循环就可以在 P V 图上 表示为一条闭合曲线 如图 2 13 所示 在 P V 图上 若系统沿过程 1 从 A 走 到 B 是沿顺时针方向进行的 称为正循环 若循环过程 2 是从 B 走到 A 沿逆时针 方向进行的 称为逆循环 在从 A 走到 B 时 其所作之功等于曲线 1 以下之面积 即 A1BV2V1A 之面积 在从 B 返回 A 时 其所作之功等于曲线 2 下的负面积 即 B2AV1V2B 之面积 在这一循环中 系统所作之净功 即为此循环之曲线所包围以 内阴影部分之面积 即 A1B2A 的范围 循环过程循环过程 用一个单一的过程将热能转化为机械能是完全可以的 但是 要想只靠一个单独的变化过程连续地把热能转化为机械能 这不仅是不可能 而 且也不切实际的 例如 当气缸中的气体作等温膨胀时 虽然可以把它由外界吸 取的热量转化为对外做功 可是这一过程不能连续地进行下去 由于气缸长度的 限制 因而活塞移动的范围总是有限的 另一方面 即使不切实际地将气缸做得 长些 当活塞向外移动到一定的位置 使气缸内部气体的压强下降到和外界压强 相等时 这时活塞也就不能继续运动下去 过程即刻结束 做功也就停止了 可 见 只用一个单一的等温过程不能将热能连续转化为机械能 要使一部机器能连续地将热转化为功 必须使它的工作物质能够从它做功后 的状态再回到原来的状态 并且能重复进行下去 我们把工作物质经过若干个不 同的过程之后又回到它原来状态的整个变化过程称为循环过程 由此可见 只有 利用循环过程才能把热连续不断地转化为功 因为工作物质 即热力学系统 的 内能是状态的单值函数 所以由一个初始状态经过一个循环回到原来的状态时 其内能没有发生变化 即 d 0 这是循环过程的基本特征 参阅 循环 态函数态函数 系统的平衡态一般只需一组最少的 必要而又充分的独立状态参 量即可完全确定 而系统的其他参量 则必由状态决定 它们统称为态函数 即 系统状态参量的函数 温度 内能 焓 熵等均为态函数 用心 爱心 专心 摩尔热容量摩尔热容量 是 1 摩尔物质的热容量 在国际单位制中 摩尔热容量的单 位为焦耳 摩尔 开 过去曾采用卡 摩尔 开作为摩尔热容量的单位 焓焓 亦称 热焓 它是表示物质系统能量的一个状态函数 通常用 H 来 表示 其数值上等于系统的内能 加上压强 P 和体积 V 的乘积 即 H PV 由上式可知 内能 是可加量 压强与体积的乘积 PV 也是可加量 所以焓 H 必然也是可加量 在等压的过程中 在系统温度升高时 不仅由于自身内能增 大而吸收热量 而且由于体积的膨胀而对外作功 所以系统吸收的总热量应表示 为 Q p P V PV H 由此说明 在等压过程中 系统温度升高所吸收的热量 等于系统的状态函 数焓的增加 这就是态函数焓的最重要的特性 态函数焓在热化学和热力工程中是非常有用的物理量 它是热力学系统的态 函数之一 即焓变与过程无关 热源热源 在热力学中所提到的热源 一般是指热容量很大的物体或装置 当 从外界吸收热量时 它的温度并不上升 而向外放热时 它的温度并不降低 故 常又称之为热库 热效应热效应 指物系在物理的或化学的等温过程中 只做膨胀功时所吸收或放 出的热量 有等容热效应和等压热效应 而等压热效应等于过程中焓的增加量 H 吸热为正而放热则为负 亦有相反者 热效应随反应的性质不同而 有生成热 中和热 燃烧热 溶解热 稀释热等名称 无论是生产还是理论 都 广泛地应用这些数据 热力状态热力状态 按热力学观点表示物系或物体所处的状态称为该物系或物体的 热力状态 气体的热力状态 一般用气体的温度 压力等状态参数来表示 在一定的热力状态下物体具有一定的状态参数 热力循环热力循环 凡热能动力装置或热力发动机中的工质为了完成将热量转换为 机械能 它从某一状态经过一系列状态的变化重新又回复到初始状态的全部过程 或途径 称为热力循环 研究热力循环的目的在于改进热机的循环过程和提高热 效率 在热力学理论上最理想的循环是卡诺循环 实际上各种热能动力装置或热 力发动机都各自有其相应的特殊循环 如奥托循环 狄塞尔循环等 在参数坐标 图上 热力循环总是按顺时钟方向进行 故一般又称正向循环 热水供暖热水供暖 用热水为媒质传递热量的一种供暖方式 散热器表面平均温度 大约为 80 使空气不致过分干燥 适合卫生和舒适环境的要求 媒质传递热量 的方式一般有两种方式 一种是用机械使水流动的称 机械循环系统 它是利 用心 爱心 专心 用水泵将散热后温度降低的水重新打入锅炉 或用高压泵将热水送入散热器等方 式 这种机械循环系统多用在较大范围的供暖区域 另一种是借重力作用使热水 在管内流动的称 重力循环系统 它是靠热水膨胀 冷热水的密度差 靠自身 的重力不同而形成循环流动 这种重力循环系统 20 年前在我国东北地区被广泛 使用 近 10 多年来在华北地区已逐渐在城市中广泛的推广 北京有这种小锅炉 厂家约十来家 这种装置俗称 土暖气 靠重力循环供暖的装置关键之一是锅 炉的设计 水套 内外炉体的两铁板间的水区 为 1 2 厘米的厚度 炉膛泥厚 1 厘米 关键之二是出水及回水管的倾斜角度 其三是补水方式 最后应注意装 排气机构 防止发生爆裂危险 热水供暖易于调节 室内气温稳定 管理方便 燃料比较节约 较煤球烟筒 式火炉安全卫生 但设备投资较大 致冷系数致冷系数 这