熱力學 -物理學的分支

熱力學

熱力學是研究熱現象中物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關系,以及狀態發生變化時系統與外界相互作用(包括能量傳遞和轉換)的學科。工程熱力學是熱力學最先發展的一個分支,它主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其套用,是機械工程的重要基礎學科之一。

  • 中文名稱
    熱力學
  • 全    稱
    熱動力學
  • 屬    于
    自然科學的一個分支
  • 主要研究
    熱量和之間的轉化關系

定義

熱力學(thermodynamics)是自然科學的一個分支,主要研究熱量和之間的轉化關系。熱力學是研究物質的平衡狀態以及與準平衡態,以及狀態發生變化時系統與外界相互作用(包括能量傳遞和轉換)的物理、化學過程的學科。熱力學適用于許多科學領域和工程領域,如發動機相變,化學反應,甚至黑洞等等。

熱力學,全稱熱動力學,是研究熱現象中物態轉變和能量轉換規律的學科;它著重研究物質的平衡狀態以及與準平衡態的物理、化學過程。

熱力學是熱學理論的一個方面。熱力學主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質,它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的巨觀規律。熱力學是總結物質的巨觀現象而得到的熱學理論,不涉及物質的微觀結構和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的巨觀理論,具有高度的可靠性和普遍性。熱力學三定律是熱力學的基本理論。

定律

第零定律

兩個熱力學系統均與第三個系統處于熱平衡狀態,此兩個系統也必互相處于熱平衡。

熱力學第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。定律中所說的熱力學系統是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實驗基礎。這個定律反映出:處在同一熱平衡狀態的所有的熱力學系統都具有一個共同的巨觀特征,這一特征是由這些互為熱平衡系統的狀態所決定的一個數值相等的狀態函式,這個狀態函式被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。

第一定律

能量可以以功W熱量Q的形式傳入或傳出系統。

熱力學第一定律反映了能量守恆和轉換時應該遵從的關系,它引進了系統的態函式--內能。熱力學第一定律也可以表述為:第一類永動機是不可能造成的。

熱學的巨觀理論,是從能量轉化的觀點研究物質的熱性質,闡明能量從一種形式轉換為另一種形式時應遵循的巨觀規律。熱力學是根據實驗結果綜合整理而成的系統理論,它不涉及物質的微觀結構和微觀粒子的相互作用,也不涉及特殊物質的具體性質,是一種唯象的巨觀理論,具有高度的可靠性和普遍性。

熱力學第一定律就是能量守恆定律,是後者在一切涉及熱現象的巨觀過程中的具體表現。描述系統熱運動能量的狀態函式是內能。通過作功、傳熱,系統與外界交換能量,內能改變 。

第二定律

熱力學第二定律認為,所有的自然過程都增加熵。熵是宇宙無序狀態的一種度量。第二定律的結果是:熱從熱地方流到較冷的地方。那樣的話,集中在一個熱物體上的熱向四周擴散並變得不夠有序,因此增加了熵。熱不會自然的從冷地方流向熱地方。

熵還在化學反應中起作用。許多化學反應在將化學能轉化為熱能,並散播到周圍環境中導致熵的增加。有些反應釋放出氣體,它們不如液體和固體有序。

第三定律

瓦爾特·能斯特表述為:當溫度趨向于絕對零度時,系統的熵趨向于一個固定的數值,而與其他性質如壓力無關。熱力學第三定律認為,所有完美結晶物質于絕對零度時(即攝氏-273.15度),熵皆為零。

也可以表述為:絕對零度不可能達到,不可能用有限個步驟使物體冷卻到絕對零度。

研究內容

熱力學是從18世紀末期發展起來的理論,主要是研究功與之間的能量轉換。在此定義為力與位移的內積;而則定義為在熱力系統邊界中,由溫度之差所造成的能量傳遞。兩者都不是存在于熱力系統內的性質,而是在熱力過程中所產生的。

工程熱力學的基本任務是:通過對熱力系統、熱力平衡、熱力狀態、熱力過程、熱力迴圈和工質的分析研究,改進和完善熱力發動機、製冷機和熱泵的工作迴圈,不斷提高熱能利用率和熱功轉換效率

開爾文開爾文

為此,必須以熱力學基本定律為依據,探討各種熱力過程的特徵;研究氣體液體的熱物理性質,以及蒸發和凝結等相變規律;研究溶液特徵也是分析某些類型製冷機所必需的。現代工程熱力學還包括諸如燃燒等化學反應過程和溶解吸收或解吸等物理化學過程,這就又涉及化學熱力學方面的基本知識。

系統分類

(1)敞開系統(open system):與環境之間既有能量傳遞,也有物質傳遞

(2)封閉系統(closed system):與環境之間隻有能量傳遞,沒有物質傳遞。

(3)孤立系統(isolated system):與環境之間既沒有能量傳遞,也沒有物質傳遞。

研究方法

工程熱力學是關于熱現象的巨觀理論,研究的方法是巨觀的,它以歸納無數事實所得到的熱力學第一定律(各種形式能量在相互轉換時總能量守恆)、熱力學第二定律(能量貶值)和熱力學第三定律(絕對零度不可達到)作為推理的基礎,通過物質的壓力、溫度、比容等巨觀參數(見熱力狀態)和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為,對巨觀現象和熱力過程進行研究。

八位對于熱力學發展有功的科學家。八位對于熱力學發展有功的科學家。

這種方法,把與物質內部結構有關的具體性質當作巨觀真實存在的物性資料予以肯定,不需要對物質的微觀結構作任何假設,所以分析推理的結果具有高度的可靠性,而且條理清楚。這是它的獨特優點。

局限性

統計物理學與熱力學結合起來研究熱現象常常可以彌補以上局限性。

相關學科

物理學、量子力學、統計力學、化學熱力學、化學動力學、熱學、固體物理學

發展簡史

古代

古代人類早就學會了取火和用火,但是後來才註意探究熱、冷現象本身,直到17世紀末還不能正確區分溫度和熱量這兩個基本概念的本質。在當時流行的"熱質說"統治下,人們誤認為物體的溫度高是由于儲存的熱質數量多。

18世紀

1709~1714年華氏溫標和1742~1745年攝氏溫標的建立,才使測溫有了公認的標準。隨後又發展了量熱技術,為科學地觀測熱現象提供了測試手段,使熱學走上了近代實驗科學的道路。

1798年,Count von朗福德觀察到用鑽頭鑽炮筒時,消耗機械功的結果使鑽頭和筒身都升溫。

1799年,英國人H.戴維用兩塊冰相互摩擦致使表面融化,這顯然無法由熱質說得到解釋。

19世紀

1842年,J.R.von邁爾提出了能量守恆理論,認定熱是能的一種形式,可與機械能互相轉化,並且從空氣的定壓比熱容與定容比熱容之差計算出熱功當量

英國物理學家J.P.焦耳于1840年建立電熱當量的概念,1842年以後用不同方式實測了熱功當量。

1850年,焦耳的實驗結果已使科學界徹底拋棄了熱質說,公認能量守恆、而且能的形式可以互換的熱力學第一定律為客觀的自然規律。能量單位焦耳(J)就是以他的名字命名的。 熱力學的形成與當時的生產實踐迫切要求尋找合理的大型、高效熱機有關。

1824年,法國人S.卡諾提出著名的卡諾定理,指明工作在給定溫度範圍的熱機所能達到的效率極限,這實質上已經建立起熱力學第二定律,但受"熱質說"的影響,他的證明方法還有錯誤。

1848年,英國工程師開爾文(即W.湯姆森)根據卡諾定理製定了熱力學溫標。

1850年1851年,德國的R.克勞修斯和開爾文先後提出了熱力學第二定律,並在此基礎上重新證明了卡諾定理。

1850~1854年,克勞修斯根據卡諾定理提出並發展了熵。

熱力學第一定律和第二定律的確認,對于兩類"永動機"的不可能實現作出了科學的最後結論,正式形成了熱現象的巨觀理論熱力學。同時,也形成了"工程熱力學"這門技術科學,它成為研究熱機工作原理的理論基礎,使內燃機汽輪機燃氣輪機和噴氣推進機等相繼取得迅速進展。

與此同時,在套用熱力學理論研究物質性質的過程中,還發展了熱力學的數學理論,找到反映物質各種性質的相應熱力學函式,研究了物質在相變、化學反應和溶液特徵方面所遵循的各種規律。

20世紀

1906年,德國的W.H.能斯脫在觀察低溫現象和化學反應中發現熱定理。

1912年,這個定理被修改成熱力學第三定律的表述形式。20世紀初以來,對超高壓、超高溫水蒸汽等物性和極低溫度的研究不斷獲得新成果。

原理

開爾文根據卡諾定理製定了熱力學溫標

熱力學原理是一些製約能量從一種形式轉換為另一種形式的定律。這些定律的很多推論給出物質性質與壓力、溫度、電場、磁場、成分的改變所產生的效應之間的關系。熱力學是建立在人們共同經驗觀測基礎之上的,由這些觀測歸納成熱力學定律。從幾個這樣的定律出發,可用純邏輯推理的方法,演繹出這一學科的全部其餘定律。有一種做法認為隻有少數定律是獨立的,從它們可以推導出其餘定律。最近的趨勢是選擇不是最早發現的那些定律和假設作為基本的定律和假設。某些這種選擇是十分有用的,因為由此可以很快地推導出其餘定律。但是這裏仍將討論隨著歷史的發展而出現的那些定律,因為它們既不抽象,又可提供一個較明晰的物理解釋。

可以說,當定義了三個態函式:絕對溫度T、內能U和熵S後,熱力學原理的整個發展就完滿了。

第零定律確立了溫度的概念,第一定律定義了內能,第二定律引進了濕的概念和絕對溫標。最後,第三定律描述了嫡在絕對溫度趨向零時的行為。為了便于說明,必須定義幾個名詞。系統是要考察的那部分物質世界。其餘部分是周圍介質。開放系統可以與周圍介質交換物質、熱量和功。封閉系統可以與周圍介質交換熱量和功,但不交換物質。孤立系統不與周圍介質發生任何交換。一個封閉系統或者孤立系統有時是指一個物體。一個系統內空間上均一的部分叫做擔。例如一個液體連同蒸氣可以認為是兩相系統。如果需要的話,可以把系統搞得相當仔細,但因關心的是熱性質,所以隻討論沒有受電場或磁場作用的單相各向同性的系統,唯一允許的作用力是均勻的法向壓力產生的。

這樣一個約束不是對熱力學普遍性以根本限製,而隻是便于教學。平衡態的特徵與熱力學有關的物質性質都是一些巨觀性質,如溫度、壓力、體積濃度表面張力和粘滯度,不使用像原子間距離那樣的分子性質。一個系統的狀態是由全部巨觀性質連同它們的空間變化來加以確定的。經驗證明,一個孤立系統總會趨向一個特別簡單的終態,此時系統的巨觀性質是恆定的,而且在空間上是均勻的。這樣的簡單狀態稱為平衡態。如果人們關心一個單相系統的某一個給定的量,其平衡態完全可由r1個系統的巨觀性質所確定,這裏r是組元的數目。對一個不受磁場和電場作用的單組元、單相系統可以固定系統的兩個巨觀性質,例如壓力和體積所有其餘巨觀性質,如粘滯度、表面張力等等,也都取固定值。

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