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热力学定律解释

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我的写作兴趣是一般的,在科学、历史、传记和如何主题方面有专业知识。我已经写了70多本书。

火。

火。

热力学是什么?

热力学是物理学和化学的一个分支,研究热能和其他形式的能量之间的转换。这个词热力学来源于希腊语温泉,或者“热”,还有动力学,或“力”。热力学的基础是能量守恒和热量总是从热流向冷这一事实。热力学科学绕过了系统的分子细节,专注于宏观层面——机械功、压力、温度以及这些类型的能量是如何转化的。

对热运动的认真研究,导致了热力学这门学科的诞生,可以追溯到19世纪早期。蒸汽机的发明及其广泛应用是热研究的主要推动力之一。工程师和机械师想要制造更强大、更高效的蒸汽机来为工厂提供动力。早期的研究揭示了热的几个基本性质,其中最重要的是热力学第一定律和第二定律。

热力学的研究使我们能够了解热机的工作原理:你汽车里的汽油发动机,为你的房子提供动力的燃煤或核电厂的蒸汽轮机,以及人体内热量和能量的基本流动。

热力学第零定律

热力学第零定律是最新的定律,它指出:

如果两个系统与第三个系统都处于热平衡,那么这两个系统彼此之间也处于热平衡。

虽然这个定律乍一看似乎微不足道,但有必要定义温标,如华氏度、摄氏度和开尔文。

三个系统处于热平衡状态。都有相同的温度。

三个系统处于热平衡状态。都有相同的温度。

热力学第一定律

热力学第一定律指出,当热量被添加到一个系统中,它就会转化成等量的其他形式的能量。

这个词系统是任意一组原子、分子、粒子或物体。这个系统可以大到整个地球的大气层,也可以小到组成一个生命体的细胞。当我们向地球大气中添加热能时,它表现为空气和水蒸气的运动;因此,风和风暴。如果我们给蒸汽机增加热能,液态水就会变成蒸汽,驱动蒸汽机内的活塞;这样,机械动力就产生了。当这个能量加入到系统中时,会发生以下两种情况之一或两者都发生:(1)能量增加了系统的内能,并留在系统中;(2)如果它离开系统,就转化为对外做功。第一定律可以理解为:

系统吸收的热量=系统增加的内能+系统对外做的功。

热力学第一定律告诉我们,系统以任何形式输出的能量都不可能大于输入的能量;换句话说,第一定律就是能量守恒定律的热学版本。热力学第一定律是建立所有能量方程的基础。它确实是热力学科学的基础。

热力学第一定律的公式

第一定律可以用封闭系统中的热量、能量和功来表示:

Q = Δu + w

其中Q是系统吸收的热量,W是系统对周围环境做的功,ΔU是系统热力学能的变化量。

系统在两种不同状态下的说明。系统的状态1显示热量被添加。在状态2中,活塞向上移动。

系统在两种不同状态下的说明。系统的状态1显示热量被添加。在状态2中,活塞向上移动。

热力学第一定律的例子

在图中,状态1表示一个气缸和活塞被困空气,其内能为U1.当钢瓶内的气体被加热时,就增加了热能Q。汽缸内膨胀的气体做功W来提升活塞,使气体的内能增加到U2

热力学第二定律

热力学第二定律可以用多种方式表述;其中最简单的是:

热永远不会自己从冷的物体流向热的物体。

热总是从热流向冷。

热总是从热流向冷。

要理解热力学定律,就必须理解熵的概念。有序能量趋向于更无序状态的思想体现在熵的概念中。熵是系统中无序程度的衡量标准——无序程度增加时,系统的熵也会增加。另一种理解自然过程热力学第二定律的方法是随着时间的推移熵总是增加。当一个物理系统被允许无阻碍地分配它的能量时,它总是以这样一种方式这样做:熵增加,同时系统做功的可用能量减少。

熵的例子

系统中熵变的一个例子是冰融化的时候。从固态冰到液态水的过程是系统无序度或熵的增加。当更多的热量加入到水里时,水开始沸腾,因此熵又增加了。

冰山的融化说明了冰变成液体的过程,即熵的增加。

冰山的融化说明了冰变成液体的过程,即熵的增加。

熵的历史

熵的起源源于威廉·汤姆森(开尔文勋爵)在1847年首次指出的一个悖论:能量不能被毁灭或创造,然而热能从一个温暖的物体转移到一个寒冷的物体时就失去了做功的能力。他认为,在热传导等过程中,能量并没有损失,而是“消散”或不可用。此外,根据汤普森的说法,耗散相当于自然的一般规律,表达了自然过程的“方向性”。

苏格兰工程师麦格昆·兰金和德国物理学家鲁道夫·克劳修斯都提出了一个新概念,它代表了能量耗散的相同趋势。最初,它被兰金称为“热力学函数”,被克劳修斯称为“分散”。1865年,克劳修斯给这个概念起了一个明确的名字,“熵”,这个名字来源于希腊语中的“转化”。孤立系统中发生的每一个过程都会增加系统的熵。克劳修斯由此阐述了热力学第一定律和第二定律:“宇宙的能量是恒定的,它的熵趋于最大值。”

热力学:速成班物理23

热力学第三定律

热力学第三定律指出:

存在一个称为绝对零度的最低温度,在这个温度下,物质的热能最小,不能再变冷。

然而,物质不可能达到绝对零度的温度,因为它会立即从周围吸收热量。虽然精确的绝对零度是无法获得的,但科学家们已经能够用实验仪器非常接近这个最冷的温度。在三个不同的温度系统中,绝对零度的定义为:

  • 0 K,在开尔文体系中。在这个系统中,冰在273K℃融化,水在373K℃沸腾。开尔文温标是以英国物理学家开尔文勋爵的名字命名的,他创造了热力学这个词,并首次提出了温标。
  • -273.15˚C,在摄氏度系统中。在这个系统中,冰在0˚C融化,水在100˚C沸腾。
  • -459.7˚F,华氏系统。这是美国常用的温标,冰在32华氏度融化,水在212华氏度沸腾。

第三定律也可以写成熵的形式:

当系统的温度接近绝对零度时,系统的熵趋于恒定值。

在零温度下,系统必须处于热能最小的状态或基态。在这个温度下,系统的熵不一定是零,只是最小值。

热力学第三定律的说明。

热力学第三定律的说明。

参考文献

  • 拜纳姆,w.f., E.J.布朗,罗伊波特(编辑)。科学史词典.普林斯顿:普林斯顿大学出版社,1981年。
  • 海尔布伦,J.L.(编辑)。《牛津物理和天文学历史指南》.牛津:牛津大学出版社,2005年。
  • 休伊特,保罗。概念物理学:高中物理课程.第二版。加州门洛帕克:Addison-Wesley出版公司,1992年。
  • 翠鸟科学百科全书.纽约:翠鸟出版社,2011年。
  • 新大英百科全书.芝加哥:大英百科全书公司,1994年。
  • 维赛森,迈克尔,大卫·弗兰克和索菲亚·扬科波洛斯。普伦蒂斯霍尔物理科学:概念在行动.Upper Saddle, New Jersey: Pearson Education, Inc., 2009。

据作者所知,这些内容是准确和真实的,并不意味着要取代来自合格专业人士的正式和个性化的建议。

©2022 Doug West

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