习题十一 一、选择题 1．你认为以下哪个循环过程是不可能实现的 [ ] （A ）由绝热线、等温线、等压线组成的循环； （B ）由绝热线、等温线、等容线组成的循环； （C ）由等容线、等压线、绝热线组成的循环； （D ）由两条绝热线和一条等温线组成的循环。 答案：D 解：由热力学第二定律可知，单一热源的热机是不可能实现的，故本题答案为D 。 2．甲说：由热力学第一定律可证明，任何热机的效率不能等于1。乙说：热力学第二定律可以表述为效率等于100%的热机不可能制成。丙说：由热力学第一定律可以证明任何可逆热机的效率都等于2 1 1T T -。丁说：由热力学第一定律可以证明理想气体可逆卡诺热机的效率等于2 1 1T T - 。对于以上叙述，有以下几种评述，那种评述是对的 [ ] （A ）甲、乙、丙、丁全对； （B ）甲、乙、丙、丁全错； （C ）甲、乙、丁对，丙错； （D ）乙、丁对，甲、丙错。 答案：D 解：效率等于100%的热机并不违反热力学第一定律，由此可以判断A 、C 选择错误。乙的说法是对的，这样就否定了B 。丁的说法也是对的，由效率定义式2 1 1Q Q η=-，由于在可逆卡诺循环中有2211Q T Q T =，所以理想气体可逆卡诺热机的效率等于21 1T T -。故本题答案为D 。 3．一定量理想气体向真空做绝热自由膨胀，体积由1V 增至2V ，此过程中气体的 [ ] （A ）内能不变，熵增加； （B ）内能不变，熵减少； （C ）内能不变，熵不变； （D ）内能增加，熵增加。 答案：A 解：绝热自由膨胀过程，做功为零，根据热力学第一定律2 1V V Q U pdV =?+?，系统内能 不变；但这是不可逆过程，所以熵增加，答案A 正确。 4．在功与热的转变过程中，下面的那些叙述是正确的？[ ] （A ）能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功；
物理与人类文明期末大作业 论文题目：浅谈对黑洞的理解学院：管理学院 班级：工商122 姓名：张文姣 学号：1207010233
摘要：本文介绍了有关黑洞的一些问题,包括黑洞的起源、形成，处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。同时还介绍了一些对黑洞的误区；现在引发出对黑洞是否存在提出了怀疑。虽然现在我们对黑洞的认识很大程度上是在一定的猜想上进行的，但是终有一天人类会解开黑洞之谜。黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。 关键字：黑洞，黑洞理解误区，是否存在黑洞 一、黑洞的含义 黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。 二、黑洞的形成 要了解黑洞是如何形成的，我们先对恒星生命过程作以简单了解： 众所周知：通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起的。同时恒星内部的热核反应所产生的大量热能造成粒子的剧烈运动而形成排斥效应，当这两种效应达到稳定平衡时候，恒星将会塌缩。但是，由于热核反映能量逐渐消耗，以至耗尽，恒星就会冷却下来，万有引力的作用大于排斥效应的作用使恒星发生塌缩。原子的壳层将被压碎形成原子核在电子海洋中的漂浮状态。这时电子之间的 斥力与恒星自身引力相比处于劣势地位，恒星将发生塌缩，体积减少，导致塌缩的密度是非常大的。 1. 白矮星的形成 由于恒星热反应停止以后，辐射压力减少，使恒星发生收缩，在收缩过程中，核内高温使物质发生电离。星体内部充满电子，由于电子服从泡利不相容原理。物质粒子靠的十分接近时候不能具有完全相同的状态。即两个相同的自旋为1/2的粒子不可能同时具有相同的位置与速度，这将导致粒子在吸引、接近的过程中产生很强的斥力平衡，按照相对论理论，粒子之间的相对速度不能超过光速。由泡利不相容原理产生的斥力就有上限。经过计算这种斥力上限为1.4个太阳质量，称为钱德拉卡极限。当恒星质量小于1.4倍的太阳质量时，电子简并压可以完全抗衡引力，阻止恒星进一步塌缩，从而形成白矮星。 2 .中子星的形成 根据万有引力公式2Mm F G R 引公式可知，一颗恒星的质量越大，引力就越强，对于质量不太大的恒星而言，塌缩的速度还不算快，若恒星质量大于1.4个太阳质量，则电子之间的简并压就不能抗拒引力塌缩，导致星体密度继续增加，当温度足够高时候，高能光子把原子核分裂成质子和中子，质子又与电子结合成中微子，使得星体内部存在大量中子。中子也服从泡利不相容原理，出现附加压强，称为中子简并压。经过计算这种斥力上限为2-3个太阳质量，称为奥本海默极限。
对热力学第三定律的理解及应用 在学习了物理书中的“热学”篇后，对于书中提到的热力学四大定律很感兴趣。其中热力学第一定律与热力学第二定律在书中都有了较为详尽的介绍，并且我们也认真地做了相关的习题，可以说对于这两个定律较为熟悉，而对于热力学第零定律与第三定律却了解不多。因此，在课下，我查阅了相关资料。对于这两个定律有了一定了解。 热力学第零定律表述为：“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。” 热力学第三定律表述为：“热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时趋于定值，特别地，对于完整晶体，这个定值为零。”可以用这一公式表达，0)(lim 0=?=s t 而另一种表述为：“不可能通过有限的步骤，将一个物体冷却到绝对温度的零度。” 对于第三定律中提到的，“不能通过有限步骤，达到绝对零度”我感到了困惑与好奇。 对于这一定律有这么一种解释：理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。 另一种解释是：当原子达到绝对零度后，就会处于静止状态，而这违反了海森堡不确定原理指出的“不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量”。
尽管，绝对零度在实际生活中似乎无法达到，但科学家还是不遗余力的尝试着接近绝对零度。据报道，由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度纪录，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。 而通过研究物体在接近绝对零度度过程中材料属性的变化，可以为工程应用提供材料，而在微观领域也可研究低温环境对于原子产生的影响，比如原子在接近绝对零度时是如何运动的，物体呈现一种什么样的状态，这对于原子物理的发展有巨大促进作用。 热力学第三定律在生活中也得到了应用。比如在研究过程中，发现了一些物体存在着超导现象，这一发现对于降低能耗，减少能源浪费都有着不可估量的意义。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。即磁悬浮。对于磁悬浮技术的应用，主要是磁悬浮列车，其优点在于耗能不仅低于普通火车，更大大低于汽车和飞机。在驱动功率相同时，其耗能仅为汽车的1/3，飞机的1/4，而降低能耗是环境保护的最主要问题。 通过科学家对于绝度零度都不断的追求，我们可以看出科学永无止境，作为科学工作者要有一种锲而不舍的精神。
黑洞的讨论和研究 摘要：黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。本文详细讨论了黑洞的概念、形成过程、种类和性质以及特点，从而证实了黑洞的存在；研究了经典黑洞和量子黑洞；研究表明要确定一个黑洞只需知道其质量、电荷、角动量；讨论黑洞的目的就是为了供人们开发利用，因而文章也列举了几种探测黑洞的方法；最后是明确了研究黑洞重大意义。 关键词：恒星；黑洞；引力塌缩；视界半径 Black hole discussion and research Abstract: Black hole is a hot spot in modern physical and astronomical research.This thesis discussed the concept of the Black hole.the process of the formation,the type,the natune as weii as the characters in detail,thus confirmed that the Black Hole did exist.Thcs article also studied classical Black Hole and Quantum Black Hole.The research indicated that we can determine a Black Hole only need to koow mass,electric charge and angular momentum.The purpose to discuss the Black Hole is for dendopment and utilization.so the article also enumerate seueral methods of detecting a Black Hole. The great significance of studying the Black Hole is specified at the end of this alticle. Key words: Star, Black hole, Gravitation Collapse, Hohzon Radius.
《热力学定律及其微观本质》读后感 能电院电气四班丁小柳0905020414 读了《热力学定律及其围观本质》这篇论文，体会和收获还是蛮多的。它很有条理的从它的宏观表达和具体应用后，然后应用分子动理论和统计物理学知识揭示了他们的微观本质。 一、热力学四大定律（虽然我们现在只学了两大定律）： 1、热力学第零定律——能量守恒定律在热学形式的表现。 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。这一结论称做“热力学第零定律”。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。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。 另一种表述：处于热力学平衡状态的所有物质均具有某一共同的宏观物理性质。 2、热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。 我们知道热力学第一定律的表达式是ΔU = Q+ W（这里的W是外界对系统做的功），也就是说物体吸收的热量等于物体对外界做的功与物体内能增加之和。这从另一个角度体现了能量守恒定律 （1）能量守恒定律 大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变．这就是能量守恒定律。在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能量守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。 （2）永动机不可能制成 历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。
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黑洞形成过程 黑洞(Black hole)是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种超高质量天体，由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故名为黑洞。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后，发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，它产生的引力场极为强劲，以致于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内，便再无力逃脱，就连传播速度最快的光(电磁波)也逃逸不出。 当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于施瓦氏半径)，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。 通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生聚变。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素——氦元素，接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成锂元素。如
此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定，参与聚变时不释放能量，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，就再不能逃出。跟白矮星和中子星一样，黑洞可能也是由质量大于太阳质量好几倍以上的恒星演化而来的。 根据现在的科学理论所研究出来的结果，黑洞是可以吞噬一切的，但黑洞并不能吞噬如此多的物质，黑洞会释放一部分物质，射出两道纯能量——γ射线。当黑洞遇到黑洞，互相吞噬，或许说成融合比较妥当。
1引言 热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下, 逐步被人们发现的。19蒸汽机的发明,使提高热机效率的问题成为当时生产领域中的重要课题之一. 19 世纪20 年代, 法国工程师卡诺从理论上研究了热机的效率问题. 卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。这时，有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功，这被称为第二类永动机。1850 年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。不久，1851年开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。热力学第二定律的各种表述以不同的角度共同阐述了热力学第二定律的概念，完整的表达出热力学第二定律的建立条件并且引出了热力学第二定律在其他方面的于应用及意义。 2热力学第二定律的建立及意义 2.1热力学第二定律的建立 热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下, 逐步被人们发现的。但是它的科学价值并不仅仅限于解决热机效率问题。热力学第二定律对涉及热现象的过程, 特别是过程进行的方向问题具有深刻的指导意义它在本质上是一条统计规律。与热力学第一定律一起, 构成了热力学的主要理论基础。 18世纪法国人巴本发明了第一部蒸汽机,后来瓦特改进的蒸汽机在19 世纪得到广泛地应用, 因此提高热机效率的问题成为当时生产领域中的重要课题之一. 19 世纪20 年代, 法国工程师卡诺(S.Carnot, 1796～ 1832) 从理论上研究了热机的效率问题。
黑洞的形成 宇宙中的天体也与地球上的生物一样，会经历诞生、成长、衰老和死亡。究竟黑洞是什么？广义相对论预言，黑洞就是大质量恒星死亡以后的“残骸”。具体来说，黑洞是质量大于20倍太阳质量的恒星死亡以后形成的一种天体。 力学知识告诉我们，万有引力无处不在，它和物体的质量成正比、距离的平方成反比。那么，任何一个恒星各个部分之间当然也是存在万有引力的。但是，恒星之所以能够维持一个较大的球形而没有被万有引力吸引得“塌缩”下去，是由于存在其他的力与引力抗衡，这个力就是恒星内部热核反应加热气体产生的膨胀力。大家知道，热核反应的基本过程是将较轻的氢原子合并成较重的氦原子，在这一过程中会释放出大量的热量。等到核燃料逐渐耗尽的时候，恒星也就开始衰老，濒临死亡了。这时，气体就会逐渐冷却下来，与引力相抗衡的气体压力因而就会大大减小。于是，恒星的外周部分在强大的万有引力作用下迅速向中心塌缩，恒星的体积迅速缩小。在塌缩过程中，恒星内部会形成反弹激波，恒星外层的气体会在反弹
激波的作用下爆炸，将一部分气体抛到宇宙空间中这就是后面将要提到的超新星爆发或伽马射线暴现象。 下一步的命运取决于原先恒星的质量。如果原先的恒星质量较小，小于10倍太阳质量，当恒星缩小到一定程度后，一种叫做“电子简并压力”(见注释)的力能够与引力抗衡，星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫“白矮星”。这种星体表面仍然存在少量可燃烧物质，但是温度非常高，所以颜色很“白”。再加上这种形体体积很小，即“很矮”，所以叫做白矮星。 如果爆发前恒星的质量比较大，大于10倍太阳质量但小于20倍太阳质量，引力就会更强一些，这时电子简并压力也无法与引力抗衡，恒星会进一步塌缩。这时另一种力——“中子简并压力”（见注释）出现并发挥作用，能够与引力达到平衡。星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫做“中子星”。中子星中大部分物质都是由中子构成的，中子和中子之间空隙很小，故中子星密度非常大：它的半径只有10公里，但是质量却达到太阳质量的2倍! 如果爆发恒星的质量高于20倍太阳质量，引力会非常强，即使是中子简并压力也无法与之平衡，于是恒星只能进一步地塌缩下去，变成一个黑洞!美国宇航局(NASA)于2010年11月15日宣布发现的最年轻的黑洞，其前身星正是一个大约20倍太阳质量的恒星! 科学家通过详细的研究表明，对于质量大于20倍太阳质量的恒星，它们演化的最终结局虽然都是黑洞，但却有两种截然不同的具体表现：一是超新星爆发，二是伽马射线暴。恒星到底表现为哪种方式，取决于恒星的初始物理状态，比如旋转的快慢。旋转慢的大质量恒星死亡后会发生超新星爆发;而旋转快的则会形成一个强大的“喷流”，也就是伽马射线暴。超新星爆发与伽马射线暴两种爆发的总能量相差无几，区别在于前者较为“温和”，即这些能量是在较长的时间里爆发,而且向不同方向喷出，而后者非常剧烈，在极短时间里——从不到1秒到几百秒——就发出巨大的能量, 而且集中在一个方向上。到目前为止，伽马射线暴是人们所观察到的宇宙中最剧烈的爆发现象。它是上世纪60年代才偶然发现的比较新的天文现象，关于它的起因仍是一个谜，因此这是目前天体物理研究的一个热点。而这次观测到的年轻黑洞，是形成于31年前的一次超新星爆发。 【注释】：要真正了解甚么是简并压力(Degenerate pressure)，先要明白量子力学(Quantum Mechanics)的泡利不相容原理(Pauli's exclusion principle)。简单来说，有一些基本粒子(例如电子、中子、质子等)是有排它性的，它们不能占据空间中的同一个位置。就好像一群顽皮小孩，你要他们靠在一起，他们总会推推撞撞，要把旁边的小孩赶得远远的。你要他们靠得越近，要用的力量也越大。这种粒子间的相互排斥力，便称为简并压力。在白矮星中，抗拒星体进一步塌缩的坏小孩便是电子，所以称这种排斥力为电子简并压力。而在中子星中，由于引力实在太强大，电子简并压力也对付不了，结果电子被迫压进质子内，结合而成中子，此时抵抗引力的排斥力，便是中子简并压力。假若中子星体的质量超过20个太阳质量，那么中子简并压力也对抗不了引力，到这时，自然界已再没有自然力量可和引力抗衡，物质只能无限塌缩，成为黑洞。
宏观过程的方向性 热力学第二定律 初识熵 (建议用时：45分钟) [学业达标] 1．下列关于熵的有关说法正确的是( ) A．熵是系统内分子运动无序性的量度 B．在自然过程中熵总是增加的 C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大表示系统越无序 E．熵值越小表示系统越无序 【解析】根据熵的定义知A正确；从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，B正确；热力学第二定律也叫熵增加原理，C错；熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确，E错误． 【答案】ABD 2．下列说法正确的是( ) A．热量能自发地从高温物体传给低温物体 B．热量不能从低温物体传到高温物体 C．热传导是有方向性的 D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的 E．气体向真空中膨胀的过程是可逆的 【解析】如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A、C对，B错；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对，E错． 【答案】ACD 3．以下说法正确的是( ) 【导学号：74320064】A．热传导过程是有方向性的，因此两个温度不同的物体接触时，热量一定是从高温物体传给低温物体的 B．热传导过程是不可逆的 C．两个不同的物体接触时热量会自发地从内能多的物体传向内能少的物体 D．电冰箱制冷是因为电冰箱自发地将内部热量传给外界
E．热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助 【解析】热量可以自发地由高温物体传递给低温物体，热量从低温物体传递给高温物体要引起其他变化，A、B、E选项正确． 【答案】ABE 4．(2016·西安高二检测)下列说法中不正确的是( ) A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置 B．热机是将内能全部转化为机械能的装置 C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用 E．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 【解析】由于电阻的存在，电流通过电动机时一定发热，电能不能全部转化为机械能，A错误；根据热力学第二定律知，热机不可能将内能全部转化为机械能，B错误；C项说法违背热力学第二定律，因此错误；由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正确；在电流做功的情况下，热量可以从低温物体向高温物体传递，故E正确． 【答案】ABC 5．下列说法中正确的是( ) A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D．一切物理过程都不可能自发地进行 E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆的 【解析】热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但可以自发地从高温物体传到低温物体；并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，故A、C正确，B、D错误，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，则E正确． 【答案】ACE 6．下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是( ) 【导学号：74320065】A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开 B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开 C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动
1 题目：浅谈热力学定律 班级：11物理学本科班 姓名：徐春山 学号：110800048 指导老师：廖昱博
浅谈热力学定律 1 引言 热物理学是整个物理学理论的四大柱石之一，热力学是热学理论的一个重要组成部分，也就是热现象的宏观理论。热力学主要是从宏观角度出发按能量转化的观点来研究物质的热性质，热现象和热现象所服从的规律。它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，具有高度的可靠性和普遍性，无论是在热力学理论中或在热工技术中，都有重要的作用。 2 热力学第零定律 什么是温度？人们在日常生活中，凭自己的感觉就能判断一个物体是冷还是热。感到热就认为温度高一些，感到冷就认为温度低一些。当然这种感觉是不可靠的。于是人们就简单地建立起了有关温度的初步概念。温度是描述物体冷热程度的物理量。 在不受外界影响的情况下，只要A物体和B物体同时与C物体处于热平衡，即使A和B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态，这种规律称为热平衡定律，也称为热力学第零定律。 热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征——它们的温度是相同的。实验也证实，在外界条件不变的情况下把已经达到热平衡的系统中的各个部分相互分开，是绝不会改变每个部分本身的热平衡状态的. 3 热力学第一定律 热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，能量守恒与转换定律的发现与其他物理规律的发现最大不同之处在于它不是某一位科学家独立研究而提出的，而是由许多科学家在不同的研究领域分别发现的。 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为- 2 -
读书评论 时间本性和热力学 评《黑洞与时间的性质》 吴忠超 半年前，我收到了这部题为“黑洞与时间的性质”的电子书稿。这部专著的作者是两位理论物理工作者刘辽、赵峥教授以及他们以前的学生田贵花、张靖仪两位教授。这是一部富有智慧的作品。我阅读之际写下一些感想，供大家分享。 刘辽、赵峥从70年代迄今对引力物理做了多方面的研究，撰写了大量论文。这些论文涉及引力物理的测量问题、引力热力学、黑洞霍金辐射、奇点定理、虫洞、量子宇宙学、时序猜测、黑洞信息丢失等等，这些都已纳入了这部专著。限于篇幅，这篇短文只能就他们对时间本性与热力学关系的贡献作一点介绍。 我们知道，古今中外的思想家都为探索时间的本性绞尽脑汁，而时间仍一如既往地保持着它永恒的神秘。在爱因斯坦之前，康德以自然科学家和哲学家的双重身份对时间和空间提出了一些真知灼见，而其余的人只不过以不同的语言对时间进行了一些描述。我们谈论最多的是时间，最不了解的也是时间。只有在爱因斯坦提出狭义相对论和广义相对论之后，时间本性的研究才真正进入科学的王国，这只是近一百年的事。 广义相对论的意义是，时空被其中的物质的能量动量张量所弯曲，而引力物理最基础的实验无非是时空的测量问题。从某种意义上讲，广义相对论早期三大验证也是时空测量问题。在爱因斯坦与朗道等人研究工作的基础上，赵峥从80年代起就开始关注这方面的探讨。他发现热力学第零定律，即热平衡具有传递性，与钟速同步的传递性等价。无论是热力学第零定律，还是钟速同步传递性，若不成立，这个物理世界就会面目全非。 在经典广义相对论中，霍金和彭罗斯在上个世纪70年代证明了，在非常广泛的物理条件下，时空中至少存在一个固有时间有限的物理过程。赵峥等指出，“固有时间有限”必然伴随着系统温度达到绝对零度或出现发散的情况，这违背了用固有温度表达的广义热力学第三定律。这就进一步增强了下述信念：考虑引力量子化的广义热力学定律将排除时空奇点，保证时间的无始无终性。 田贵花与赵峥用整体微分几何探讨了这方面的问题，并意外地发现，如果采用固有时间进行量度，则沿类光测地线运动的“自由光线”的加速度不是零，而是无穷大。这是一个耐人寻味的结果。 热力学第一定律，即热物理框架中的能量守恒定律，显示了时间流逝的均匀性。热力学第二定律因霍金辐射的发现而在引力物理中大放异彩。科学界已达成共识：黑洞视界的面积代表了黑洞的熵。本书作者历年来在霍金辐射的方向做了很多贡献，发表了大量论文。近年来，对黑洞过程是否破坏信息守恒的问题，威尔切克（F. Wilczek，诺贝尔奖得主）和帕利克（M. K. Parikh）就史瓦兹黑洞提出了富有创见的隧穿机制，证明了黑洞辐射过程信息守恒。张靖仪与赵峥把他们的工作推广到克尔黑洞族以及更一般的黑洞，同时指出，他们的证明中假设了黑洞辐射是可逆过程，而真实的过程肯定不可逆，因此威尔切克和帕利克的证明有很大局限性，他们还未能证明信息守恒。这对黑洞信息丢失问题给出了新的启示。 “时间机器”最早出现于科幻小说。从1988年开始，索恩等人对这一课题展开了科学探讨，他们用广义相对论研究了制造“时间机器”的可能性。由于“时间机器”可 作者简介：吴忠超，浙江工业大学物理系教授。
11热力学第二定律 习题详解
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2 习题十一 一、选择题 1．你认为以下哪个循环过程是不可能实现的 [ ] （A ）由绝热线、等温线、等压线组成的循环； （B ）由绝热线、等温线、等容线组成的循环； （C ）由等容线、等压线、绝热线组成的循环； （D ）由两条绝热线和一条等温线组成的循环。 答案：D 解：由热力学第二定律可知，单一热源的热机是不可能实现的，故本题答案为D 。 2．甲说：由热力学第一定律可证明，任何热机的效率不能等于1。乙说：热力学第二定律可以表述为效率等于100%的热机不可能制成。丙说：由热力学第一定律可以证明任何可逆热机的效率都等于211T T - 。丁说：由热力学第一定律可以证明理想气体可逆卡诺热机的效率等于211T T - 。对于以上叙述，有以下几种评述，那种评述是对的 [ ] （A ）甲、乙、丙、丁全对； （B ）甲、乙、丙、丁全错； （C ）甲、乙、丁对，丙错； （D ）乙、丁对，甲、丙错。 答案：D 解：效率等于100%的热机并不违反热力学第一定律，由此可以判断A 、C 选择错误。乙的说法是对的，这样就否定了B 。丁的说法也是对的，由效率定义式211Q Q η=-，由于在可逆卡诺循环中有2211 Q T Q T =，所以理想气体可逆卡诺热机的效率等于211T T - 。故本题答案为D 。 3．一定量理想气体向真空做绝热自由膨胀，体积由1V 增至2V ，此过程中气体的 [ ]
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3 （A ）内能不变，熵增加； （B ）内能不变，熵减少； （C ）内能不变，熵不变； （D ）内能增加，熵增加。 答案：A 解：绝热自由膨胀过程，做功为零，根据热力学第一定律2 1V V Q U pdV =?+?，系统内能不变；但这是不可逆过程，所以熵增加，答案A 正确。 4．在功与热的转变过程中，下面的那些叙述是正确的？[ ] （A ）能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功； （B ）其他循环的热机效率不可能达到可逆卡诺机的效率，可逆卡诺机的效率最高； （C ）热量不可能从低温物体传到高温物体； （D ）绝热过程对外做正功，则系统的内能必减少。 答案：D 解：（A ）违反了开尔文表述；（B ）卡诺定理指的是“工作在相同高温热源和相同低温热源之间的一切不可逆热机，其效率都小于可逆卡诺热机的效率”，不是说可逆卡诺热机的效率高于其它一切工作情况下的热机的效率； （C ）热量不可能自动地从低温物体传到高温物体，而不是说热量不可能从低温物体传到高温物体。故答案D 正确。 5．下面的那些叙述是正确的？[ ] （A ）发生热传导的两个物体温度差值越大，就对传热越有利； （B ）任何系统的熵一定增加； （C ）有规则运动的能量能够变为无规则运动的能量，但无规则运动的能量不能够变为有规则运动的能量； （D ）以上三种说法均不正确。 答案：D 解：（A ）两物体A 、B 的温度分别为A T 、B T ，且A B T T >，两物体接触后， 热量dQ 从A 传向B ，经历这个传热过程的熵变为11( )B A dS dQ T T =-，因此两
从四大定律角度对热力学学习的认识 2013级物理萃英班洪熹宇 摘要： 热力学是一门研究热运动的宏观理论，它与统计物理学的研究目的，都在于研究运动的规律，同时研究与热运动有关的物性，以及宏观物质系统的演化过程。但是它与统计物理学的研究方法上有着很大的不同，统计物理学侧重于从微观角度分析和解决问题，而热学的基础则是建立在宏观的基础上。它是一种唯象的宏观理论，具有较高的普适性和一般性。本文由学生在热力学学习过程中，将自己的体会与知识相结合，从四大定律着手给出学生对于热力学研究意义的思考和认识。 关键词：热力学三大定律，热平衡定律，能量守恒，自由能，熵，绝对零度 正文： 一、热力学四大定律的发现与形式 宏观角度看待问题的是经典的，因此热力学总是能给出一个条件给定系统的最终平衡状态的各个参数。人们在对热力学研究的基础上，总结出了热力学的三大定律，加上热平衡定律，便构成了热力学最主要的四个结论。 首先，能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。它指出，自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，这种不同形式的能量都可以转移（从一个物体传递到另一个物体），也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式)，但在转移和转换过程中，它们的总量保持不变。这一规律成为能量守恒与转换定律。能量守恒与转换定律应用在热力学中，或者说应用在伴有热效应的各种过程中，便是热力学第一定律。历史上，焦耳在绝热过程中所做的两个实验，首先认识到外界对于系统所做的功，仅仅与系统的初态和末态是相关联的。在此人们定义了一个内能的概念，它的意义是，系统在末态和初态的内能之差，等于在过程中外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和，这便是热力学第一定律的数学表达形式。此外，在工程热力学上，热力学第一定律也可表述成“热是能的一种，机械能变热能或热能变机械能时，它们之间的比值是一定的”，或者“热可以变功，功可以变热。一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时必定出现与之相应量的热”。 其次，人们在各类实验基础上又发现了热力学第二定律。卡诺在研究中发现，各种热机运动最终都服从于卡诺关于可逆热机的两个定理。然而卡诺在热机工作过程的认知上并不正确，由此克劳修斯和开尔文分别提出了热力学第二定律的两种表述：开尔文提出了“利用无生命物质的作用，把物质任何部分冷到比它周围最冷的客体以下，以产生机械效应，这是不可能的”。现在表述为“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而不产生其它影响”，克劳修斯提出了“不可能把热量，从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。”，二者分别从不同角度说明了热力学第二定律的实质，即任何与热现象有关的实际过程都有着其自发进行的方向，是不可逆的。这两种表述也可以相互进行逻辑上的论证，由此也发现了不同种类的不可逆过程本质上其实是可以互相进行推断的。特别的，在孤立系统下，由热力学第二定律可以推出重要的熵增加原理，为今后判断孤立系统的稳定平衡条件提供了依据。 随着科学研究的深入和对于低温条件获取的需要，人们在思考，究竟可不可以通过有限的过程实现绝对零度？20世纪初,人们通过对低温下热力学现象的研究,确定了物质熵值的零点,逐步建立起了热力学第三定律,进而提出了规定熵的概念,为解决一系列的热力学问题提供了极大的方便。热力学第三定律可以准确、简洁的表述为:0K时,任何完美晶体的熵值为0。也可以表达为，绝对零度不能达到。
黑洞熵与黑洞温度的量子修正 李传仁 摘要 本文通过对黑洞的形成、分类，黑洞的熵，黑洞的温度和黑洞的Hawking 辐射等概念的综述，全面地讨论了黑洞的各种性质尤其是黑洞的热力学性质。本文主要是对黑洞的熵和黑洞的温度进行量子修正，用量子隧穿和黑洞辐射膜模型讨论黑洞的辐射过程，用WKB 近似的方法把黑洞的熵修正到二阶，得到熵的二级量子修正const S S S S BH BH BH p ++-=6ln （36）式。然后用热力学统计物理学的方法推导出黑洞温度与黑洞熵的关系 V M S T ??? ????=1（44）式，从而把黑洞二级修正后的熵代入得到黑洞的温度的修正 3321111M k M k M k T P ++=（50）式。最后得出，黑洞的熵除了基本的Hawking Bekenstein -熵BH S 还包括有对数项和倒数项，黑洞的温度除了是黑洞质量的倒数还有其它负一次和负三次倒数项。因此，可以得到黑洞的辐射不完全是黑体辐射。 关键词 Hawking 辐射；黑洞温度；黑洞熵；量子隧穿；量子修正 ABSTRACT Through to summarize the formation,assortment,entropy,temperature and Hawking radiation of the black hole,we comprehensively discussion various kinds of the properties of the black hole especially the thermodynamic properties. This paper mainly is the quantum of the entropy and temperature of the black hole.By quantum tunneling and black hole radiation film black hole radiation process model discussion,with the WKB approximation method fixed the entropy of the black hole to the the second correction.And then by thermodynamic statistical physics method , deduced the entropy of the black hole temperature black hole relationship.And take the second correction of the entropy of the black hole into the relationship of the temperature of the black hole .We can have the temperature correction.
1.宇宙中质量最大的黑洞 腾讯科学讯（Everett/编译）据国外媒体报道，黑洞是宇宙中的“怪物”天体，其周围的引力环境非常恶劣，强大的引力使得光都无法逃脱黑洞的控制，黑洞存在各种各样的大小，有恒星际黑洞，也有位于星系中央的超大质量黑洞。几乎所有的星系中央都拥有质量至少达到太阳质量百万倍的黑洞，科学家发现的最大质量黑洞位于NGC 3842星系中，距离我们大约3.2亿光年，质量达到97亿倍太阳质量，另外一个位于NGC 4889中的黑洞质量可能更大。 2.宇宙中质量最小的黑洞 科学家发现的质量最小黑洞小于三倍太阳质量，其编号为IGR J17091-3624，是理论上黑洞形成的质量下限，这个黑洞可能非常小。
3.喜欢吞噬“黑洞”的超大质量黑洞 任何一个不断靠近黑洞的天体都会被黑洞吞没，即便是黑洞也不例外，科学家目睹了一个质量较小的黑洞被更大质量黑洞吞噬的现象，这个宇宙惨剧发生在NGC 3393星系中，一个3000万倍太阳质量的黑洞吞噬了100万倍太阳质量的黑洞。 4.神奇的“子弹发射”黑洞 当物质被吸入黑洞时，就会释放出辐射来，科学家发现H1743-322黑洞释放的“子弹”速度达到四分之一光
5.宇宙中最老的黑洞 宇宙中最老的黑洞是ULAS J11200641，其诞生于宇宙大爆炸后大约7.7亿年，也就是说它的年龄达到130亿年左右，那么它的质量会是多大呢，科学家估计为20亿倍太阳质量，其成长过程是个未解之谜。 6.宇宙中最“亮”的黑洞 黑洞虽然具有强大的引力场，但是其也会发出“亮”光，它们在吸积物质时会释放出辐射，尤其是类星体，科学家发现类星体3C273甚至可发出可见光波段内的光
热力学第二定律 一、 自发反应-不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程） 一个自发反应发生之后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响，也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。 二、 热力学第二定律 1. 热力学的两种说法： Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化 Kelvin ：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化 2. 文字表述： 第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热，并将所吸收的热完全转化为功） 功 热 【功完全转化为热，热不完全转化为功】 （无条件，无痕迹，不引起环境的改变） 可逆性：系统和环境同时复原 3. 自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程） 特征：（1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性；（3）对环境做功，可从自发过程获得可用功 三、 卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机） ηη≤ηη （不可逆热机的效率小于可逆热机） 所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关 四、 熵的概念 1. 在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：ηηηη+η ηηη=η 任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关 热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原 从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数 2. 热温商：热量与温度的商 3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量 ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η （数值上相等） 4. 熵的性质： （1）熵是状态函数，是体系自身的性质 是系统的状态函数，是容量性质 （2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和 （3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变 （4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量 （5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性 （6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变 （7）在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。若系统已处于平衡状态，则其中的任何过程一定是可逆的。 五、克劳修斯不等式与熵增加原理 不可逆过程中，熵的变化量大于热温商 ηηη→η?(∑ηηηηηηη)η>0 1. 某一过程发生后，体系的热温商小于过程的熵变，过程有可能进行不可逆过程 2. 某一过程发生后，热温商等于熵变，则该过程是可逆过程