热力学三大定律精讲

热力学三大基本定律是什么？一文带你搞懂

虽然从远古时期人类早就学会了取火和用火，人们就注意探究热、冷现象本身。

但是热力学成为一门系统的学科却要到19世纪，在19世纪40年代前后，人们已经形成了这样的观念:自然界的各种现象间都是相互联系和转化的。人们对热的研究也不再是孤立地进行，而是在热与其他现象发生转化的过程中认识热，特别是在热与机械功的转比中认识热。

热力学在发展过程中形成了三大基本定律，它们构成了热力学的核心。

热力学第一定律：能量守恒定律

德国物理学家迈尔从1840年起就开始研究自然界各种现象间的转化和联系。在他的论文《与有机运动相联的新陈代谢)中，把热看作“力”(能量)的一一种形式，他指出'热是能够转比为运动的力“。他还根据当时的气体定压和定容比热的资料,计算出热的机械功当量值为367kgm/千k。

在论文中，迈尔详细考察了当时已知的几种自然现象的相互转化，提出了“力“不灭思想，迈尔是最早表述了能量守恒定律也就是热力学第一定律的科学家。1847年，德国科学家亥姆霍兹发表了著作《论力的守恒》。他提出一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释，这个时候热力学第一定律也就是能量守恒定律已经有了一个模糊的雏形。

1850年，克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。他认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。” 加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素的行为相矛盾”来论证。把热看成是一种状态量。

由此克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式：dQ=dU-dW

从1854年起，克劳修斯作了大量工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这条原理。经过重重努力，1860年，能量守恒原理也就是热力学第一定律开始被人们普遍承认。能量守恒原理表述为一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

2018年高二物理知识点：热力学三大定律

第一定律

热力学第一定律也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。

●内容

一个热力学系统的内能U增量等于外界向它传递的热量Q与外界对它做功A的和。(如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。)

●符号规律

热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功，向外界散热和内能减少的情况，因此在使用：△E=-W+Q时，通常有如下规定：

①外界对系统做功，A>0,即W为正值。

②系统对外界做功，A<0,即W为负值。

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<0，即Q为负值

⑤系统内能增加，△U>0，即△U为正值

⑥系统内能减少，△U<0，即△U为负值

●理解

从三方面理解

1.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，这时系统内能的增加(或减少)量△U就等于外界对物体(或物体对外界)所做功的数值，即△U=A

2.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，这时系统内能的增加(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

3.在做功和热传递同时存在的过程中，系统内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，系统内能的增量△U就等于从外界吸收的热量Q和外界对系统做功A之和。即△U=A+Q

●能量守恒定律

能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。

●能量的多样性

物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。

热力学三大定律

热力学第零定律：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，那么它们也必定处于热平衡 。热力学第零定律是热力学三大定律的基础。

热力学第一定律是能量守恒定律。 能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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另一个物体。

热力学第二定律有几种表述方式：

克劳修斯表述热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物；

开尔文-普朗克表述不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。

熵表述 随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。

关系

热力学第二定律的两种表述（前2种）看上去似乎没什么关系，然而实际上他们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个。

意义

热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

微观意义

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

第二类永动机（不可能制成）

只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

∵第二类永动机效率为100%，虽然它不违反能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。第二类永动机违反了热力学第二定律。

热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。 或者绝对零度（T=0K）不可达到。

R.H.否勒和E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0k,称为0K不能达到原理。

第1篇

摘要：热现象是自然界中普遍存在的现象，它涉及到能量的传递和转换。本文将详细介绍热的三大定律，包括热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律，旨在揭示热现象的本质规律，为读者提供对热现象深入理解的基础。

一、引言

热现象是自然界中普遍存在的现象，如温度、热量、热力学势等。研究热的规律对于科学研究和工程技术具有重要意义。在热力学领域，热的三大定律是研究热现象的基础，它们揭示了热现象的本质规律，对于理解能量守恒、能量传递和能量转换具有重要意义。

二、热力学第一定律

热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的应用，它表明能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。具体来说，热力学第一定律可以表示为：

ΔU = Q - W

其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。

热力学第一定律揭示了热现象中能量守恒的规律，即在热力学过程中，系统内能的变化等于系统吸收的热量与系统对外做的功之差。这一定律对于理解和分析热现象具有重要意义。

三、热力学第二定律

热力学第二定律是关于热现象方向性的规律，它表明在一个孤立系统中，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温物体。热力学第二定律有多种表述方式，其中最著名的是克劳修斯表述和开尔文-普朗克表述。

1. 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

2. 开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功，而不产生其他影响。

热力学第二定律揭示了热现象的方向性，即热量传递的方向性。这一定律对于热力学系统的分析和设计具有重要意义，例如，制冷机和热机的效率等问题。 四、热力学第三定律

热力学第三定律是关于绝对零度的规律，它表明当温度趋近于绝对零度时，系统的熵趋近于零。具体来说，热力学第三定律可以表示为：

lim(T→0)S = 0

其中，S表示系统的熵，T表示系统的温度。