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1、 热力学定律 1.功和内能焦耳的实验 使系统的热力学状态发生变化的两个途径是做功和传热.与外界没有热交换的过程叫做绝热过程.焦耳的实验说明:使系统状态通过绝热过程发生变化时,做功的数量只由过程的始末状态决定,而与做功的方式无关.内能 功是能的变化的量度.任何热力学系统都存在一个只依赖于系统自身状态的物理量内能.内能在两个状态间的改变 差值 等于外界在绝热过程中对系统所做的功，即 U=W 做功过程与内能的关系.2.热和内能 热传递 没有做功而使物体内能改变的物理过程叫做热传递.热传递发生的条件:T0;热传递过程中,热量从高温物体传递到低温物体.热传递的三种方式:传导 对流 辐射 热和内能 热量是
2、在单纯传热过程中系统内能变化的量度.内能在两个状态间的改变 差值 等于外界向系统传递的热量，即 U=Q 热传递过程与内能的关系.热量的概念只在涉及能量的传递时才有意义:不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量.做功和热传递 做功和热传递对改变系统内能是等效的 做功和热传递的重要区别:做 功内能与其他形式能之间的转化;热传递内能在物体之间或物体不同部分 之间的转移.3.热力学第一定律 能量守恒定律 热力学第一定律 单纯对系统做功:U=W,单纯对系统传热:U=Q;一般情况下,物体与外界同时发生做功和热传递,则 U=Q+W.热力学第一定律:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量
3、与外界对它所做的功的和.公式 U=Q+W 表示内能改变与热量、功之 间的关系,是热力学第一定律的数学形式,注意 物体吸热Q0 物体放热Q0 物体对外界做功W0 物体内能减少 U0取决于Q+W 的值 能量守恒定律 俄国化学家盖斯的发现能量守恒定律的先驱.德国医生J.R.迈尔的观点第一个能量守恒的思想.德国科学家H.亥姆霍兹的工作 能量守恒定律:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程其总量保持不变.永动机不可能制成 不消耗任何能量,却可以源源不断地对外做功的机器叫做第一类永动机.第一类永动机违反了能量守恒定律,是不可能
4、造成的.4.热力学第二定律 与热现象有关的宏观过程的方向性 热传递现象的方向性 扩散现象的方向性 气体膨胀现象的方向性 有摩擦的机械运动中能量转化的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的.热力学第二定律的一种表述 克劳修斯表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体.或:不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化 逆过程的进行,必须有第三者的介入 或必须借助外界的帮助,这样就会引起其他变化 产生其他影响.克劳修斯表述阐述的是热传递的方向性.热力学第二定律的另一种表述 开尔文表述 热机 凡是把内能转变为机械能的机器都叫做热机.如 蒸汽机 内燃机 汽油机,柴油机 汽轮机 蒸汽轮
5、机,燃气轮机 喷气发动机 热机中热量损失的途径:漏气、机体散失和摩擦,废气.由于热量损失,热机输出的机械功W 总是小于燃料燃烧释放的热量Q.热机的效率 热机输出的机械功与燃料燃烧产生的热量的比,叫做热机的效率.任何一部热机都包含三个部分:高温热库,如蒸汽机的锅炉,内燃机的汽缸;工作部分,低温热库,如冷凝器 尾喷管,大气等.即使漏气、机体散热、摩擦造成的热量散失可以减少,甚至不考虑时,工质吸收的热量仍然不能全部变成功.因为总有一部分热量要排放给低温热库,即总有Q W,由此,热力学第二定律又可以表述如下 不可能从单一热库吸收热量,使之完全用于做功,而不产生其他影响.开尔文表述阐述的是机械能与内能转
6、化的方向性:机械能可以全部转化为内能,内能却无法全部用于做功而转化成机械能.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的.两种表述可以互相推导.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性,定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.这种不可逆性都是互相关联的,由一种过程的不可逆性可以通过推理得知另一种过程的不可逆性.由此,对任何一类宏观过程进行的方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述.第二类永动机不可能制成 能从单一热源吸收热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响的热机叫做第二类永动机.第二类永动机虽然不违反热力学第一定律,但是违反了热
7、力学第二定律,所以是不可能制成的.5.热力学第二定律的微观解释 热力学第二定律的微观解释 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.熵 系统宏观态所对应的微观态的多少表征了系统宏观态的无序程度,该无序程度决定着宏观过程的演变方向.若用 表示系统一个宏观态所对应的微观态的数目,则 就是该系统分子运动无序性的量度.用S表示熵,定义 S=kln 式中k是玻尔兹曼常数.熵S 也是系统分子运动无序性的量度.熵较大的宏观态就是无序程度较大的宏观态.热力学第二定律的熵表述 在任何自然过程中,一个孤立系统的熵永不减少.由此,热力学第二定律又称为熵增加原理.系统有序的可能是存在着的,只是因为通向无序
8、的渠道比通向有序的渠道多得多,所以无序程度较大的宏观态即熵较大的宏观态出现的几率就较大.一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态演变,而熵值较大意味着较为无序,所以自发的宏观过程总是向着无序程度更大的方向演变.热力学第三定律 不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度.或 绝对零度不可能达到6.能源和可持续发展 能量耗散和品质降低 没有办法把流散到周围环境的内能重新收集起来加以利用,这种现象叫做能量的耗散.机械能、电能、化学能等都是集中度较高并且有序度较高的能量,它们变为内能后,就成为更加分散并且无序度更大的能量.各种形式的能量向内能的转化,是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化,这一转化能自动地、全额地发生.从可被利用的价值来看,内能较之机械能、电能等,是一种低品质的能量.能量耗散虽然不会使能的总量减少,却会导致能量的品质降低.虽然能量不会减少但能源会越来越少,所以应当节约能源.能源与人类社会发展能源与环境开发新能源