物理熱力學(xué)論文

1、理與人文精神理與人文精神熱力學(xué)部分姓名：xx院系：計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院班級(jí)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào)：1000010101摘要：熱力學(xué)第一定律其實(shí)是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與守恒 定律。熱力學(xué)第二定律則是指明過程進(jìn)行的方向與條件的另一基本定 律。熱力學(xué)第三定律也就是絕對(duì)零度不能達(dá)到原理。熱力學(xué)所研究的 物質(zhì)宏觀性質(zhì)，特別是氣體的性質(zhì)，經(jīng)過氣體動(dòng)理論的分析，才能了 解其基本性質(zhì)。氣體動(dòng)理論，經(jīng)過熱力學(xué)的研究而得到驗(yàn)證，兩者相 互補(bǔ)充。人們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱力學(xué)過程包括自發(fā)過程和非自發(fā)過程，都 有明顯的單方向性，都是不可逆過程。但從理想的可逆過程入手，引 進(jìn)熵的概念后，就可以從熵的變化來(lái)說(shuō)明實(shí)際過程的不可逆

2、性。因此， 在熱力學(xué)中，熵是一個(gè)十分重要的概念。關(guān)鍵詞：熱力學(xué)三大定律 卡諾循環(huán)實(shí)際生活中，不論是哪種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，都只能以熱的形式進(jìn)行耗散， 熱力學(xué)定律適應(yīng)于各種形態(tài)并能給予解釋。所以說(shuō)熱力學(xué)與我們的實(shí) 際生活息息相關(guān)，借助這次的人文物理選修課，我對(duì)熱力學(xué)的三大定 律和熵有了更深的理解。熱力學(xué)是熱學(xué)理論的一個(gè)方面。熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn) 來(lái)研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí) 遵從的宏觀規(guī)律。它是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論，不 涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯一的宏 觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。在一般情況下，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)，作功與

3、傳遞熱量往往是同時(shí) 存在的。如果有一個(gè)系統(tǒng)，外界對(duì)它傳遞的熱量為Q，系統(tǒng)從內(nèi)能為 E1的初始平衡狀態(tài)改變到內(nèi)能為E2的終末平衡狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)外做功為A,那么，不論過程如何，總有:Q= EE +A上式就是熱力學(xué)第一定律。意義是：外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量，一 部分是系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分是用于系統(tǒng)對(duì)外做功。不難看出， 熱力學(xué)第一定律其實(shí)是包括熱量在內(nèi)的能量守恒定律。它還指出，作 功必須有能量轉(zhuǎn)換而來(lái)，很顯然第一類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第一定 律，所以它根本不可能造成的。物質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列的變化過程又回到初始狀態(tài)，這樣的周而復(fù) 始的變化過程稱為循環(huán)過程，或簡(jiǎn)稱循環(huán)。經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，回到初始 狀態(tài)時(shí)，內(nèi)能沒

4、有改變，這是循環(huán)過程的重要特征?？ㄖZ循環(huán)就是在 兩個(gè)溫度恒定的熱源（一個(gè)高溫?zé)嵩矗粋€(gè)低溫?zé)嵩矗┲g工作的循 環(huán)過程。在完成一個(gè)循環(huán)后，氣體的內(nèi)能回到原值不變?？ㄖZ循環(huán)還 有以下特征：要完成一次卡諾循環(huán)必須有高溫和低溫兩個(gè)熱源：卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，高溫?zé)嵩吹臏囟仍礁撸?低溫?zé)嵩吹臏囟仍降?，卡諾循環(huán)效率越大，也就是說(shuō)當(dāng)兩熱源的 溫度差越大，從高溫?zé)嵩此〉臒崃縌1的利用價(jià)值越大?？ㄖZ循環(huán)的效率總是小于1的（除非T2=0K）。那么熱機(jī)的效率能不能達(dá)到100%呢？如果不可能到達(dá)100%，最大 可能效率又是多少呢？有關(guān)這些問題的研究就促進(jìn)了熱力學(xué)第二定 律的建立。第一類永動(dòng)機(jī)失敗后

5、，人們就設(shè)想有沒有這種熱機(jī)：它只從一個(gè) 熱源吸取熱量，并使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ恍枰湓?，也沒有釋放熱 量，這種熱機(jī)叫做第二類永動(dòng)機(jī)。經(jīng)過無(wú)數(shù)的嘗試證明，第二類永動(dòng) 機(jī)同樣是一種幻想，也是不可能實(shí)現(xiàn)的。就上面介紹的卡諾循環(huán)，它 也是個(gè)理想循環(huán)，工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次崃亢?，?jīng)過卡諾循環(huán)， 總是向低溫?zé)嵩捶懦鲆徊糠值臒崃?，才能回?fù)到初始狀態(tài)，所以說(shuō)卡 諾循環(huán)的效率不可能達(dá)到1。熱力學(xué)第二定律開爾文敘述是這樣的：不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作 的熱機(jī)，只從一個(gè)熱源吸取熱量，使之全都變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生 其他影響。從文字上看，熱力學(xué)第二定律開爾文敘述反映了熱功轉(zhuǎn)換 的一種特殊規(guī)律。1850年，克勞修斯在大量

6、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了熱 力學(xué)第二定律的另外一種說(shuō)法：熱量不可能自動(dòng)地從低溫物體傳向高 溫物體。要是熱量從低溫物體傳向高溫物體，靠自發(fā)是不可能的，必 須依靠外力作功?？藙谛匏沟臄⑹稣欠从沉藷崃總鬟f的這種特殊規(guī) 律。熱力學(xué)第二定律的兩種描述是等價(jià)的。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，我們論證了一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀 過程都是不可逆的。當(dāng)給定系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)時(shí)，總要發(fā)生從非平 衡態(tài)向平衡態(tài)的自發(fā)性過渡；反之當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)卻不可 能從平衡態(tài)向非平衡態(tài)過渡。所以我們希望找到一個(gè)與平衡狀態(tài)有關(guān) 的狀態(tài)函數(shù)，根據(jù)這個(gè)狀態(tài)函數(shù)單向變化的性質(zhì)來(lái)判斷實(shí)際過程進(jìn)行 的方向。我們把這個(gè)狀態(tài)函數(shù)叫做熵，以s表示。熵是

7、根據(jù)熱力學(xué)第 二定律引入的一個(gè)新的定義，它在熱學(xué)理論中占有核心的重要地位。 在一個(gè)可逆絕熱循環(huán)中，系統(tǒng)的熵的變化值等于零。但在封閉系統(tǒng)中 發(fā)生的任何不可逆過程，都導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的熵的增加，系統(tǒng)的熵只 有在可逆過程中才是不變的。這個(gè)普遍結(jié)論叫做熵增加原理。如果把 系統(tǒng)和外界作為整個(gè)封閉系統(tǒng)考慮，則系統(tǒng)的總熵是不可能減少的。在可逆過程的情況下，總熵保持不變，而在不可逆過程的情況下，總 熵一定增加。由于孤立系統(tǒng)內(nèi)部的一切變化與外界無(wú)關(guān)，必然是絕熱 過程，所以熵增加原理也可表為：一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減少。 它表明隨著孤立系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)，其熵單調(diào)增大，當(dāng)系統(tǒng) 達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，熵達(dá)到最大值。因

8、此，我們可以根據(jù)熵的變化和最大 值確定了孤立系統(tǒng)過程進(jìn)行的方向和限度。也是基于這個(gè)原因，我們 把熵增加原理看作是熱力學(xué)第二定律的另一種敘述形式。在100多年后的今天，熵的蹤跡已經(jīng)遍于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué) 的各個(gè)領(lǐng)域，成為眾多學(xué)科研究的一個(gè)新的焦點(diǎn)?？ㄖZ從理論上論證 了熱機(jī)存在極限和可逆卡諾熱機(jī)的效率最大，這為改進(jìn)蒸汽機(jī)做出了 重大的理論突破，同時(shí)為熱力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。熱力學(xué)第三定律是獨(dú)立于熱力學(xué)第一、二定律之外的一個(gè)熱力學(xué) 定律，是研究低溫現(xiàn)象而得到的。它的主要內(nèi)容是奈斯特?zé)岫ɡ恚?絕對(duì)零度不能達(dá)到原理。熱力學(xué)第三定律是對(duì)熵的論述，一般當(dāng)封閉 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，熵應(yīng)該為最大值，在任何過程中，熵總是增加， 但理想氣體如果是絕熱可逆過程熵的變化為零，可是理想氣體實(shí)際并 不存在，所以現(xiàn)實(shí)物質(zhì)中，即使是絕熱可逆過程，系統(tǒng)的熵也在增加， 不過增加的少。熱力學(xué)它在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中扮演著重要的角色，人們也正在更多的把 它應(yīng)用與我們息息相關(guān)的生活中來(lái)，來(lái)改造社會(huì)，你很難想象我們的 哪一項(xiàng)日常活動(dòng)與熱力學(xué)沒一點(diǎn)聯(lián)系，認(rèn)識(shí)到它的重要性，所以我每 次都會(huì)去按時(shí)上課，在您的課堂上，我重新回顧了以前物理學(xué)過的知 識(shí)，感覺收獲挺大，個(gè)人感覺，您很