浅谈热力学四大定律

高中物理选修3-3主要介绍了“热学”，在教材中，作为热力学的基本规律――“热力学”四大定律是整个“热学”的基础。为帮助学生更好、更全面的认识热力学定律，从而更好的认识世界，现将热力学定律做一梳理，以飨读者。

一、对“热力学第零定律”的理解

内容：如果两个热力学系统分别与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。

理解要点：

(1)发生热传递的条件是存在温度差；热传递的结果是消除温度差。(2)达到热平衡的系统必定具有相同的温度。“热力学第零定律”是温度计能够用来测量和比较温度高低的基本原理。(3)“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。

二、对“热力学第一定律”的理解

内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向他传递的热量与外界对他做功的和。

表达式：U=W+Q

符号规定：

(1)外界对系统做功，W>0，即W为正值；

(2)系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W

(3)系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；

(4)系统从外界放出热量，Q

(5)系统内能增加，U>0，即U为正值；

(6)系统内能减少，U

理解要点：(1)定律中的功W不能认为是宏观运动物体受到的外力做功，而是此力做功对应着物体体积要发生变化，即分子之间距要变化。

(2)如果单纯通过做功来改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来度量，这时物体内能的增加(或减少)量AU就等于外界对物体(或物体对外界)所做功的数值，即U=W.

(3)如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化可以用传递热量的多少来度量，这时物体内能的增加(或减少)量U就等于外界吸收(或对外界放出)热量Q的数值，即U=Q。

(4)在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，物体内能的增量U就等于从外界吸收的热量Q和对外界做功W之和，即U=W+Q。

(5)热力学第一定律是能量守恒定律在热现象范围内的具体体现。热力学第一定律否定了创造能量和消灭能量，从而否定了“第一类永动机”。

三、对“热力学第二定律”的理解

克劳修斯表述：热量不能自发地从低温传到高温物体。开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

理解要点：

(1)以上两种表述是等效的。

(2)“自发”的理解：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的发生是从高温物体指向低温物体的；若要想把热量由低温问题传给高温问题，原则上是可以的，但需要外部的条件。像电冰箱就需要消耗电能，这样的过程，一旦电源断电，即没有了外部的帮助或条件，则就不能进行。

(3)“单一热库”的理解：温度均匀且恒定不变的系统。

(4)“其他影响”的理解：指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响。不是不能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而是这样做的结果。一定会伴随着其他变化或者影响。

(5)热力学第二定律阐述了过程进行的方向性，从而否定了“第二类永动机”。

(6)热力学第二定律的其他表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少。

理解：在孤立系统，混乱程度总是变大，或者说，由复杂变简单，由秩序至混乱。由于进化论认为简单的生物能够自发进化成复杂的生物，神创论者因此根据热力学第二定律的通俗说法，断言进化论违背热力学第二定律。这种想法是否正确呢?神创论者在引用热力学第二定律的通俗说法时，完全无视了其前提：孤立系统。

所谓孤立系统，是指与外界不发生相互作用，即与外界无热量、功和物质交换的热力学系统。地球不是一个孤立系统，它与外界有能量交换：吸收太阳能和散发热量；又有物质交换：陨石坠落。

四、对“热力学第三定律”的理解

表述：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。

要点理解：

(1)绝对零度的由来：1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。1785年，法国物理学家查理发现：一定量的气体，在体积一定的情况下，温度每降低一度，压强就会降低它在0℃的1／273左右。不久，盖・吕萨克又发现：一定量的气体，在压强一定的情况下，温度每降低一度，气体体积就会缩小它在0℃的1／273左右。照此推算，当温度降低至-273℃时，所有气体的体积和压强都变为零。绝对零度是根据理想气体所遵循的规律，用“外推”的方法得到的。1848年，开尔文建立了一种新的温度标度，称为绝对温标。它的零度，相当于-273℃(精确数为-273.15℃)，称为绝对零度。热力学温标和摄氏温标间的换算：T=t+273.15K。

(2)根据相关理论可证明：绝对零度不可达到。尽管绝对零度不可能达到，但是温度总是有可能降低。因此，热力学第三定律不阻止人们想办法尽可能地接近零度。实验室内已经获得的最低温度(激光冷却法)为2.4×10-11K。

总之，“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，是研究热力学的基础之基础。而热力学其他三大定律则说明了三个“不可能”。“热力学第一定律”说明了第一类永动机不可能制成；“热力学第二定律”说明了第二类永动机不可能制成；“热力学第三定律”说明了绝对零度不可能达到。“热力学第一定律”和“热力学第二定律”的确定，对于永动机的不可能实现作出了科学上的最终判决，使得人们走出幻想的境界，转而去不断探求各种能量形式相互转换的条件，以便最有效地利用自然界所能提供的各种各样的能源。尽管如此，“热力学第三定律”，也不阻止人们去想尽办法尽可能接近绝对零度，去探求低温世界的奥秘。