热力学第一定律、第二定律

热力学第一定律和第二定律的应用热力学是一门研究物质热现象的学科。

它关注热能的产生和传递，以及在这个过程中的热量和温度变化。

在热力学中，第一定律和第二定律是最基本的定律之一，它们是热力学的核心概念。

热力学第一定律被称为能量守恒定律。

它表明，在封闭系统中，能量总是保持不变，只能从一种形式转化为另一种形式。

这个定律提示我们，我们重视能源的消耗和使用，因为不应该浪费能源。

无论是机械能还是热能，都应该正确使用。

一个显著的案例是汽车运转。

当汽车的引擎被点火时，燃料就被燃烧，化学能被转化为机械能。

显然，能源的利用率是非常重要的，因为汽车使用能源的效率越高，汽车性能就越好，所需的燃油也就越少。

这反映在现代汽车的引擎效率上，随着技术的进步，现代引擎通常比早期引擎更高效。

此外，热力学第二定律也是一个重要的定律。

它被称为热力学不可逆性定理。

它表明，在封闭系统中，随着时间的变化，热量总是从高温度向低温度传递，从而稳定达到热平衡。

根据该定律，由于热传递只能从热到冷，因此存在热流方向的限制。

这个定律提示我们，热能是非常宝贵的，必须要使用得当。

在实践中，我们可以利用热力学的知识来提高能源的使用效率。

例如，压缩空气，毫无疑问是一个至关重要的能源效率问题。

空气压缩机的效率对于许多工业进程来说是至关重要的，但许多人不知道如何使这种过程尽可能有效。

这里，热力学可以发挥作用。

通过使用合适的绕组材料或有效的制冷剂，既可以减小压缩的过程中产生的热量损失，从而提高效率。

另外，在燃烧过程中，我们可以跟踪能量的流动，以便找出如何将未使用的热量利用起来。

热力学还可以帮助解释一些自然现象，例如化学反应和地球表面温度。

通过研究这些现象和变化，我们可以得出关于这些过程的基本知识和生产实践成果。

总之，热力学第一定律和第二定律是非常基础的定律，但在现代科学技术和工程过程中扮演着至关重要的角色。

通过合理利用能源和热量，我们可以提高效率，减少浪费，并推动进一步的科学和技术进步。

论热力学第一和第二定律内容提要：热力学第一和第二定律是热力学的最基本最重要的理论基础，其中热力学第一定律从数量上描述了热能与机械能相互转换时数量的关系。

热力学第二定律从质量上说明热能与机械能之间的差别，指出能量转换是时条件和方向性。

在工程上它们都有很强的指导意义。

关键字：热力学第一定律热力学第二定律统计物理学哲学热现象是人类最早接触的自然现象之一。

从钻木取火开始，人类对热的利用和认识经历了漫长的岁月，直到近三百年，人类对热的认识才逐步形成一门科学。

在十八世纪初期，由于煤矿开采工业对动力抽水机的需求，最初在英国出现了带动往复水泵的原始蒸汽机。

后来随着工业的发展，随着对动力得更高要求，人们不断改进蒸汽机，从而导致蒸汽机效率的不断提高。

特别是1763~1784年间英国人瓦特对当时的原始蒸汽机作出的重大改进，这次改进直接推动了工业革命，是人类的生产力水平得到很大提高。

随着蒸汽机的广泛应用，如何进一步提高蒸汽机效率的问题变的日益重要。

这样就促使人们人们对提高蒸汽机热效率、热功转换的规律等问题的深入研究，从而推动了热力学的发展，其中热力学第一和第二定律便在这种发展中产生。

热力学第一定律：热力学的基本定律之一。

是能的转化与守恒定律在热力学中的表现。

它指出热是物质运动的一种形式，并表明，一个体系内能增加的量值△E（=E末-E初）等于这一体系所吸收的热量Q与外界对它所做的功之和，可表示为△E＝W＋Q 。

对热力学第一定律应从广义上理解，应把系统内能的变化看作是系统所含的一切能量（如化学的、热的、电磁的、原子核的、场的能量等）的变化，而所作的功是各种形式的功，如此理解后，热力学第一定律就成了能量转换和守恒定律。

在1885年，恩格斯把这个原理改述为“能量转化与守恒定律”，从而准确而深刻地反映了这一定律的本质内容。

同时热力学第一定律也可表述为：第一类永动机是不可能制造的。

在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械, 这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。

能量守恒定律在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变，这就是能量守恒定律，又称为能量守恒与转化定律。

热力学第一定律将能量守恒定律应用于热力学中即称为热力学第一定律。

在化学热力学中，研究的是宏观静止系统，不考虑系统整体运动的动能和系统在外力场（如电磁场、离心力场等）中的位能，只着眼于系统的内能（又称热力学能）。

内能是指系统内分子的平动能、转动能、振动能，分子间势能，原子间键能，电子运动能，核内基本粒子间核能等能量的总和。

设想系统由始态（内能为U1）变为终态（内能为U2），若在过程中，系统从环境吸热Q，对环境做功W，则封闭系统内能的变化是ΔU=U2-U1=Q-W 这就是热力学第一定律的数学表达式。

它表示封闭系统中系统内能的增量等于系统所吸的热减去系统对环境所做的功。

由于内能是系统内部能量的总和，所以是系统自身的性质，只决定于其状态，是系统状态的函数。

状态函数的三个特点系统处于一定的状态，其内能应有一定的数值，其变化量只决定于系统的始态和终态，而与变化的途径无关。

即它具有状态函数的三个特点：①状态一定，其值一定；②殊途同归，值变相等；③周而复始，值变为零。

由于物质结构的复杂性和内部微观粒子相互作用的多样性，系统物质内能的绝对值尚无法确定，但内能的变化量可以通过系统与环境交换的热和功来确定。

热力学正是通过状态函数的变化量来解决实际问题的。

热系统与环境之间由于存在温度差而交换的能量称为热。

系统吸热，Q为正值；系统放热，Q为负值。

Q的SI单位为J。

功系统与环境间除热以外的其他形式传递的能量都叫做功。

以符号W 表示，SI单位为J。

系统对环境作功时，W取正值；环境对系统作功时，W取负值。

热力学中将功分为体积功和非体积功两类。

由气体体积的膨胀或压缩所做的功称为体积功（或膨胀功）。

体积功对于化学过程有特殊意义，因为许多化学反应常在敞口容器中进行。

如果外压p不变，这时的体积功为pΔV。

1．热力学第一定律热力学第一定律的主要内容，就是能量守恒原理。

能量可以在一物体与其他物体之间传递，可以从一种形式转化成另一种形式，但是不能无中生有，也不能自行消失。

而不同形式的能量在相互转化时永远是数量相当的。

这一原理，在现在看来似乎是顺理成章的，但他的建立却经历了许多失败和教训。

一百多年前西方工业革命，发明了蒸汽机，人们对改进蒸汽机产生了浓厚的兴趣。

总想造成不供能量或者少供能量而多做功的机器，曾兴起过制造“第一类永动机”的热潮。

所谓第一类永动机就是不需供给热量，不需消耗燃料而能不断循环做工的机器。

设计方案之多，但是成千上万份的设计中，没有一个能实现的。

人们从这类经验中逐渐认识到，能量是不能无中生有的，自生自灭的。

第一类永动机是不可能制成的，这就是能量守恒原理。

到了1840年，由焦耳和迈尔作了大量试验，测量了热和功转换过程中，消耗多少功会得到多少热，证明了热和机械功的转换具有严格的不变的当量关系。

想得到1J的机械功，一定要消耗0.239卡热，得到1卡热，一定要消耗4.184J的功，这就是著名的热功当量。

1cal = 4.1840J热功当量的测定试验，给能量守恒原理提供了科学依据，使这一原理得到了更为普遍的承认，牢牢的确立起来。

至今，无论是微观世界中物质的运动，还是宏观世界中的物质变化都无一例外的符合能量守恒原理。

把这一原理运用到宏观的热力学体系，就形成了热力学第一定律。

2．热力学第二定律能量守恒和转化定律就是热力学第一定律，或者说热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的表现。

它指明热是物质运动的一种形式，物质系统从外界吸收的热量等于这个能的增加量和它对外所作的功的总和。

也就是说想制造一种不消耗任何能量就能永远作功的机器，即“第一种永动机”，是不可能的。

人们继续研究热机效率问题，试图从单一热源吸取能量去制作会永远作功的机器，这种机器并不违背能量守恒定律，只需将热源降温而利用其能量推动机器不断运转。

热力学第一定律和热力学第二定律通过我们对物理及热力学的学习发现了这样的规律：凡是牵涉到热现象的一切过程都有一定的方向性和不可逆性，例如热量总是从高温物体自发地传向低温物体，而从未看到热量自发地从低温物体传向高温物体，例如当我们拥有一杯热水可以通过等待热水向周围空气散热得到一杯凉水，可是当我们需要这杯凉水重新变成热水时，单纯等待散失到周围空气的热量重新回来却不可能。

又如机械能可以通过摩擦无条件地完全地转化为热量，但是热能无法在单一热源下自发地转换为机械能。

这种自然规律虽然有时候不能如我们所愿，但它对我们意义重大。

可以说是人类在地球上赖以生存的基础。

我们却难以设想传热方向未知状态下的混乱。

我们不知道传热的方向，从而会不知道一杯热水放在环境中会变凉还是会继续升温，何时才能变凉，我们把凉水放在炉子上加热却不知道热量是从凉水传向炉子，还是从炉子传向凉水。

我们会得到热水还是更凉的凉水。

从这个意义上说正如交通红绿灯是交通畅通无阻的保证传热方向规律是自然界热领域中的红绿灯。

热不可能自发地不付代价地从低温物体传至高温物体，这就是克劳修斯说的热力学第二定律不可能制造出从单一热源吸热使之全部转化成为功而不留下其他任何变化的热力发动机这就是开尔文说的热力学第二定律总结热力学第二定律的两种说法的自然过程总是使系统趋于平衡能量从高位趋于低位，存在着不平衡的自然界，无时无刻不发生着这种变化——机械运动产生热量高温物体将热量传向低温物体。

高温物体将热量传向低温物体的过程中又可能产生机械运动。

生命过程、化学过程、核反应过程都伴随着热过程的发生，自然界的运动变化中热现象担任着重要的角色。

生活常识告诉我们冬天冷玻璃杯遇开水会破裂，这些都是物质表现出来的各种热湿现象，由于地球不停地运动和变化，经过漫长的地质年代逐渐在地壳内部积累了巨大的能量。

形成了巨大的应力作用，当大地构造应力或热应力使地壳某些脆弱的地带承受不了，时发生错位或断裂以波的形式传到地面就形成了地震研究火山的学者认为；热是各种地质作用的原始驱动力，火山活动是地球内部热的不均匀性的地表，反映海底的地震和火山喷发可能引起海水中形成巨大的海浪并向外传播。