熱力學(xué)三大定律的適用范圍(熱力學(xué)三大定律的應(yīng)用)
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熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律。
熱力學(xué)第二定律有幾種表達(dá)方式:克勞修斯表示,熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體,但不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞到低溫物體。高溫物體;開爾文-普朗克指出,不可能從單一熱源吸收熱量并將這種熱量完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他效應(yīng)。以及熵增的表達(dá)式:孤立系統(tǒng)的熵永不減小。
熱力學(xué)第三定律通常表示為絕對(duì)零度時(shí),所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零,或者絕對(duì)零度(T=0)不可達(dá)到。
第一定律
熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律。自從焦耳用無(wú)可辯駁的、精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了機(jī)械能、電能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換滿足守恒定律以來(lái),人們就相信能量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律。
內(nèi)容一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能U增量等于外界向它傳遞的熱量Q與外界對(duì)它做功A的和。(如果一個(gè)系統(tǒng)與環(huán)境孤立,那么它的內(nèi)能將不會(huì)發(fā)生變化。)
符號(hào)規(guī)律
熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式也適用于物體對(duì)外做功、向外界散熱、減少內(nèi)能的情況。因此,在使用:E=-W+Q時(shí),通常有以下規(guī)定:
外界對(duì)系統(tǒng)確實(shí)做功,A0,即W為正值。系統(tǒng)對(duì)外界確實(shí)做功,A0,即W為負(fù)值。
系統(tǒng)從外界吸收熱量,Q0,即Q為正值
系統(tǒng)向外界釋放熱量,Q0,即Q為負(fù)值
系統(tǒng)內(nèi)能增加,U0,即U為正值
系統(tǒng)內(nèi)能減少,U0,即U為負(fù)值理解
從三個(gè)方面來(lái)理解
1.如果物體的內(nèi)能僅通過做功而改變,則內(nèi)能的變化可以通過做功的量來(lái)測(cè)量。此時(shí),系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量U就等于外部環(huán)境對(duì)物體(或物體對(duì)外部世界)所做的功的值,即U=A2.如果物體的內(nèi)能僅通過熱傳遞而改變,則內(nèi)能的變化可以通過傳遞的熱量來(lái)測(cè)量。此時(shí),系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量U等于外界吸收(或向外釋放)的熱量Q的值,即U=Q
3、在做功和傳熱并存的過程中,系統(tǒng)內(nèi)能的變化是由做功和傳遞的熱量共同決定的。此時(shí),系統(tǒng)內(nèi)能的增量U等于從外界吸收的熱量Q與外界對(duì)系統(tǒng)所做的功A之和。即U=A+Q
能量守恒定律
能量既不能憑空產(chǎn)生,也不能憑空消失。它只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一種物體。在傳遞和轉(zhuǎn)化過程中,能量總量保持不變。
能量的多樣性
物體的運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能,分子的運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能,電荷有電能,原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)有原子能等等??梢?,自然界中不同的能量形式對(duì)應(yīng)著不同的運(yùn)動(dòng)形式。
不同形式的能量轉(zhuǎn)化
“摩擦生熱”是機(jī)械能克服摩擦做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;當(dāng)水壺里的水沸騰時(shí),水蒸氣對(duì)壺蓋做功,將壺蓋抬起,表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;電流通過電熱絲所做的功可以將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。這些例子說(shuō)明,不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,而這個(gè)轉(zhuǎn)化過程是通過做功來(lái)完成的。
能量守恒的意義
1、能量的轉(zhuǎn)換和守恒是分析和解決問題極其重要的方法。它比機(jī)械能守恒定律更常見。例如,當(dāng)物體在空氣中下落并遇到阻力時(shí),物體的機(jī)械能不守恒,但包括內(nèi)能在內(nèi)的總能量守恒。
2、能量守恒定律是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一。也鄭重宣告第一類永動(dòng)機(jī)的幻想徹底破滅。
3、能量守恒定律是認(rèn)識(shí)和改造自然的有力武器。該定律連接了廣泛的自然科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域。
第一類永動(dòng)機(jī)
第一類永動(dòng)機(jī)是不消耗任何能量但能連續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器。它不可能存在,因?yàn)樗`反了能量守恒定律
第二定律
有幾種表達(dá)方式:
克勞修斯的說(shuō)法熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到較冷的物體,但不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體;開爾文-普朗克的說(shuō)法不可能將熱量從單一的熱源吸收熱量并將此熱量完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他效應(yīng)。
關(guān)系熱力學(xué)第二定律的兩種表述(前2種)看上去似乎沒什么關(guān)系,然而實(shí)際上他們是等效的,即由其中一個(gè),可以推導(dǎo)出另一個(gè)。
意義熱力學(xué)第二定律的每一種表述,揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性,使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。
微觀意義一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。
2型永動(dòng)機(jī)(不可能制造)
只從單一熱源吸收熱量并將其完全轉(zhuǎn)化為有用功而不引起其他變化的熱機(jī)。第二類永動(dòng)機(jī)的效率為100%。雖然并不違反能量守恒定律,但大量事實(shí)證明,在任何情況下,熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源。熱機(jī)必須不斷地將吸收的熱量轉(zhuǎn)化為有用功。它不可避免地會(huì)將部分熱量傳遞給低溫物體,因此效率不會(huì)達(dá)到100%。第二種永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律。
第三定律
熱力學(xué)第三定律通常指出,在絕對(duì)零時(shí),任何純物質(zhì)的完美晶體的熵為零?;蛘邿o(wú)法達(dá)到絕對(duì)零(T=0K或-273.15)。
R.H.富勒和E.A.古根海姆還提出了熱力學(xué)第三定律的另一種表達(dá)方式:沒有一個(gè)系統(tǒng)能夠通過有限步將其溫度降低到0K,這被稱為0K失效原理。
第零定律
熱力學(xué)第零定律:如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡,那么它們也必須處于熱平衡。也就是說(shuō),熱平衡是傳遞的。
熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)三定律的基礎(chǔ),它定義了溫度。
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