高中物理 23 热力学第一、第二定律

热力学第一定律

内容：系统从外界吸收的热量，一部分使系统的热力学能增加，一部分用于系统对外界做功。即对于任一热力学系统，系统增加的内能\(\Delta U\)等于外界对系统所做的功\(W\)和外界向系统传递的热量\(Q\)之和，其数学表达式为\(\Delta U = Q + W\)。

符号规定：\(Q\gt0\)，表示系统吸收热量；\(Q\lt0\)，表示系统放出热量。\(W\gt0\)，表示系统对外做正功；\(W\lt0\)，表示外界对系统做正功，即系统对外做负功。\(\Delta U\gt0\)，表示系统内能增加；\(\Delta U\lt0\)，表示系统内能减少。

理解：热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒定律。它表明要使系统对外做功，必须要消耗系统的内能，或由外界吸收热量，或者两者兼有。例如，在加热一个密闭容器中的气体时，气体吸收热量，内能增加，同时可能会推动容器的活塞对外做功。

封闭系统：与外界没有物质交换，但可以有能量交换的系统。对于封闭系统，\(\Delta U = Q + W\) 。

绝热系统：与外界既无物质交换，也无热量交换的系统，即\(Q = 0\)，则\(\Delta U = W\)，系统内能的变化仅由做功决定，外界对系统做功，系统内能增加；系统对外做功，系统内能减少。

孤立系统：与外界既无物质交换，也无能量交换的系统，\(Q = 0\)且\(W = 0\)，所以\(\Delta U = 0\)，孤立系统的内能保持不变。

内容：一个孤立系统总是向无序随机的热力学平衡即熵最大的状态演变，同样地，第二类永动机永不可能实现。

克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体而不引起其他影响。例如，冰箱能将热量从冷冻室不断地传向温度较高的周围环境，但这需要消耗电能，使外界对其做功，从而产生了其他影响，并不违反热力学第二定律。

开尔文表述：系统不可能从单一热源吸收热量并全部转变为功而不产生其他影响。热机在工作时，高温热源放出热量，只有一部分热量对外做功，另一部分热量会传递到低温热源，从而引起了外界的变化，故也没有违反热力学第二定律。

理解：热力学第二定律说明了自然界中宏观过程的方向性。一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，例如，气体的自由膨胀过程是不可逆的，扩散现象也是不可逆的，即这些过程可以自发地朝某个方向进行，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行.

在温度同为\(T_{1}\)的高温热源和温度同为\(T_{2}\)的低温热源之间工作的所有热力发动机中，以可逆机的热效率为最高。

在高温热源和低温热源的温度相应相同的条件下，一切可逆的热力发动机均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。

熵的概念：从微观上考虑，熵是系统中微观粒子杂乱无章程度的度量。在一切自然过程中，系统的熵总是增加或不变的，这是热力学第二定律的另一种表述形式，即熵增原理。