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1、热力学概念及发展关键字：热力学 转换效率 内能 焓 熵 thermodynamics、efficiency of change、internal energyenthalpy、entropy 一、热力学概述热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。热学的宏观理论，是从能量转化的观点研究物质的热性质，阐明能量从一种形式转换为另一种形式时应遵循的宏观规律。热力学是根据实验结果综合整理而成的系统理论，它不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，也不涉及特殊物质的具体性质，是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普
2、遍性。二、热力学的相关定理热力学第零定理：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。热力学第一定律就是能量守恒定律，是后者在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。描述系统热运动能量的状态函数是内能。通过作功、传热，系统与外界交换能量，内能改变 。 热力学第二定律指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。相应的态函数是熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向，熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。热力学第三定律指出绝对零度是不可能达到的。上述热力学定律以及三个基本状态函数温度、内能和熵构成了
3、完整的热力学理论体系。为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，还引入了一些辅助的态函数，如焓、亥姆霍兹函数（自由能）、吉布斯函数等。三、热力学的发展历程热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态，这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触，最后到达平衡态，两物体便有相同的温度。但其逆过程，即具有相同温度的两个物体，不会自行回到温度不同的状态。这说明，不可逆过程的初态和终态间，存在着某种物理性质上的差异，终态比初态具有某种优势
4、。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别，1865年他给此函数定名为熵。1850年，克劳修斯在总结了这类现象后指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。用熵的概念来表述热力学第二定律就是：在封闭系统中，热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行，当熵到达最大值时，系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的，在此
5、基础上，又引进了三个基本状态函数：温度、内能、熵，共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后，为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，又引进了一些辅助的状态函数，如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便，并增加对热力学状态某些特性的了解。从热力学的基本定律出发，应用这些状态函数，利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系，是热力学方法的基本内容。热力学理论是普遍性的理论，对一切物质都适用，这是它的优点，但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论。例如讨论理想气体时，需要给出理想气体的状态方程；讨论电磁物质时，需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等。这样才能从热力学
6、的一般关系中，得出某种特定物质的具体知识。平衡态热力学的理论已很完善，并有广泛的应用。但在自然界中，处于非平衡态的热力学系统(物理的、化学的、生物的)和不可逆的热力学过程是大量存在的。因此，这方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的进展。目前，研究非平衡态热力学的一种理论是在一定条件下，把非平衡态看成是数目众多的局域平衡态的组合，借助原有的平衡态的概念描述非平衡态的热力学系统。并且根据“流”和“力”的函数关系，将非平衡态热力学划分为近平衡区(线性区)和远离平衡区(非线性区)热力学。这种理论称为广义热力学，另一种研究非平衡态热力学的理论是理性热力学。它是以热力学第二定律为前提，从一些公理出发，
7、在连续媒质力学中加进热力学概念而建立起来的理论。它对某些具体问题加以论证，在特殊的弹性物质的应用中取得了一定成果。非平衡态热力学领域提供了对不可逆过程宏观描述的一般纲要。对非平衡态热力学或者说对不可逆过程热力学的研究，涉及广泛存在于自然界中的重要现象，是正在探讨的一个领域。如平衡态的热力学和统计力学的关系一样，从微观运动的角度研究非平衡态现象的理论是非平衡态统计力学。四、热力学主要应用 工程热力学的基本任务是：通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，不断提高热能利用率和热功转换效率。 为此，必须以热力学基本定律为依据
8、，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程和溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。 热力学第零定律：说明热平衡和温度的关系。 注解:假设物体A和B，分别与物体C达到热平衡，那么物体A.B.C三者两两互相达到热平衡。 热力学第一定律：能量守恒定律的一种特殊形式在一个封闭系统里，所有种类的能量，形式可以转化，但既不能凭空产生，也不会凭空消失。 Eint = Eint,f Eint,i = Q W 热力学第二定律：孤立系统熵(失序)不会减少简言之，热
9、不能自发的从冷处转到热处，任何高温的物体在不受热的情况下，都会逐渐冷却。 S0 热力学第三定律：不可能以有限程序达到绝对零度换句话说，绝对零度永远不可能达到。 热力学系统是进行热力学分析的对象，可分成三种： 孤立系统：系统完全不与外界交换能量或质量。 封闭系统：系统只与外界交换能量而不交换质量。开放系统：系统与外界交换能量和质量。五、热力学发展前景刚过去的一个世纪里，热力学的发展取得了巨大的进步和发展，人们对热力学的认识也逐渐的科学化，合理化，但还有很多的不足需要我们去弥补，以及鲜为人知的一些科学事实。对于科技不断进步的今天，热力学当然也不能就此止步。借助于现代科技的发展，对一些热力学现象的描述将更加准确，更加详尽，对一些情景的描述也会更加合理化，更加切合事实。除了理论的研究外，一些工程化的热力学知识也将取得更大。火箭的发射及运行过程中，如何获取更加耐高温的材料需要我们对热力学的研究更加细致；在燃烧轮机中，如何更大程度地提升热能的转换效率，需要我们对热力学的相关知识更加透彻的研究，等等一系列的热力学知识都需要不断的发展和研究。总之，热力学会向着更有利于生活和生产的方向为人们服务，也会有更加准确的理论和知识揭示一些自然界内在的现象。1
