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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
2、方式 : 传导 对流 辐射 热和内能 热量是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
3、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UW, 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
4、 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.
5、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
6、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
