熱運動的基本規律林曉東文科物理1熱運動的基本規律一、熱力學第零定律

如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡。

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宏觀特征，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數，這個狀態函數被定義為溫度。2熱運動的基本規律溫標與溫度

溫標包括三個要素：測溫物質及其測溫屬性、定標點、分度法。

攝氏溫標攝氏溫標的規定是：在標準大氣壓（1013.25百帕斯卡）下，水（冰）的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分為100等份，每等份為1℃。歷史

1742年，瑞典天文學家安德斯·攝西阿斯（AndersCelsius，1701-1744）將一大氣壓下的水的冰點規定為100℃，沸點訂為0℃，兩者間均分成100個刻度，和現行的攝氏溫標剛好相反。直到1743年才被修成現行的攝氏溫標。

1954年的第十屆國際度量衡大會特別將此溫標命名為“攝氏溫標”，以表彰攝氏的貢獻。3熱運動的基本規律2.絕對溫標（熱力學溫標、開氏（Kelvin）溫標）

規定攝氏零度以下273.15℃為零點，稱為絕對零點。其分度法與攝氏溫標相同（即絕對溫標上相差1K時，攝氏溫標上也相差1℃）；所不同的只是絕對溫標上水的冰點定為273.15K，沸點定為373.15K。絕對零度，也就是-273.15℃（攝氏度）。理論上的最低溫度，沒有一個地方有這個溫度，人類也不可能制造出來這個溫度，只能無限的接近。在這溫度下物體沒有熱能。

1995年，科羅拉多大學和美國國家標準研究所的兩位物理學家愛克·科內爾和卡爾威曼利用激光束和“磁陷阱”系統使原子的運動變慢，成功地使一些銣原子溫度達到了絕對零度之上的十億分之二十度（2×10-8K）。事實上，在這樣的非常溫度下，物質呈現的既不是液體狀態，也不是固體狀態，更不是氣體狀態，而是聚集成唯一的“超原子”，它表現為一個單一的實體。

4熱運動的基本規律3.華氏溫標

在標準大氣壓下，冰的熔點為32℉，水的沸點為212℉，中間有180等分，每等分為華氏1度。

華氏溫度與攝氏度的換算為：

F=9/5C+32

C=5/9(F–32)

1714年，德國物理學家華倫海特（DanielGabrielFahrenheit，1686-1736）基于虎克的研究，將北愛爾蘭最冷的某個冬日，水銀柱降到最低的高度定為零度

，0℉，而概略的將人體溫度定為100℉，兩者間等分成100個刻度。后來，華倫海特改進了他創立的溫標，把冰、水、氯化銨和氯化鈉的混合物的熔點定為零度，以0°F表示之，把冰的熔點定為32°F，把水的沸點定為212°F，在32→212的間隔內均分180等分。5熱運動的基本規律6熱運動的基本規律二、熱力學第一定律1.羅伯特·邁爾的靈感

1840到1841年初，邁爾在一艘開往印度尼西亞的荷蘭商船上當了幾個月的隨船醫生。在醫治中邁爾發現船員處于熱帶時的靜脈血比在溫帶（歐洲）時見的靜脈血的顏色要紅些。他還聽到海員們說，下雨時海水比較熱。這些現象引起了邁爾的深思。他想到，食物中含有化學能，它象機械能一樣可以轉化為熱；在熱帶高溫情況下，機體只需要吸收食物中較少的熱量，所以機體中食物的燃燒過程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。另外，雨滴降落所獲得的活力，也會產生出熱來。邁爾認為，除了人體體熱來自由食物轉化而來的化學能之外，人體動力也來自同一能源。這樣看來，熱能、化學能、機械能都是等價的，而且是可以相互轉化的。邁爾把他對能量定律的最初發現寫成了一篇題為《論力的量和質的測定》的論文，投給德國當時的權威性刊物《物理學和化學年鑒》。但是，該雜志的主編波根道夫認為邁爾的文章引入了思辨的內容和缺少精確的實驗根據而不予發表。邁爾在初次受挫之后，并不氣餒，繼續努力。后來他又寫成《論無機界的力》一文，這篇文章被一向注意各種自然力之間的關系的李比希發表于他主編的《化學和藥學年刊》1842年5月號上。7熱運動的基本規律2.焦耳的實驗

（各類實驗歷時40年）

在圖A中，水盛在由絕熱壁構成的容器內，重物下降帶動葉片在水中攪動，水溫受葉片攪動而升高。如果把水和葉片看作體系，其溫度的升高(狀態的改變)完全是重物下降作功的結果。在圖B中，水和電阻器放在由絕熱壁構成的容器內，接上電源，讓穩定電流通過電阻器而使水溫升高。如果把水和電阻器看作體系，其溫度的升高完全是電源作功的結果。這兩個絕熱過程的實驗結果表明：使同量之水升高一定的溫度，所需的功在實驗誤差范圍內是相等的。1Cal=4.18J熱功當量8熱運動的基本規律3.亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz，1821～1894）的貢獻

德國物理學家，生理學家。1847年他在德國物理學會發表了關于力的守恒講演，在科學界贏得很大聲望，次年擔任了柯尼斯堡大學生理學副教授。亥姆霍茲在這次講演中，第一次以數學方式提出能量守恒定律。主要論點是：①一切科學都可以歸結到力學。②強調了牛頓力學和拉格朗日力學在數學上是等價的，因而可以用拉氏方法以力所傳遞的能量或它所作的功來量度力。③所有這種能量是守恒的。亥姆霍茲發展了邁爾、焦耳等人的工作，討論了已知的力學的、熱學的、電學的、化學的各種科學成果，嚴謹地論證了各種運動中能量守恒定律。這次講演內容后來寫成專箸《力之守恒》出版。9熱運動的基本規律

熱力學第一定律：也叫能量不滅原理，就是能量守恒定律。

基本內容：熱可以轉變為功，功也可以轉變為熱；消耗一定的功必產生一定的熱，一定的熱消失時，也必產生一定的功。

外界對系統所傳遞的熱量，一部分使系統的內能增加，一部分用于系統對外做功。10熱運動的基本規律

第一類永動機：

歷史上有不少人希望設計一種機器，這種機器不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功。這種機器被稱為永動機。

/bbs/viewthread.php?tid=106211熱運動的基本規律水力“永動機”

1775的，法國科學院宣布：

本科學院以后不再審查有關永動機的一切設計。

12熱運動的基本規律蒸汽機13熱運動的基本規律二、熱力學第二定律

1.熱傳遞

熱傳遞有一種單向性：熱能會自發地從較高的溫度傳到較低的溫度，但不會自發地從較低的溫度傳到較高的溫度。

-----表述為熱傳遞定律的熱力學第二定律14熱運動的基本規律2.熱機：用熱能做功

燃燒、摩擦、擊打等均產生熱。自然界中產生熱能較容易----幾乎不可避免！

問題：何種過程或設備會將熱能轉化成其它形式的能量？

答案：熱機，即用熱能做功的循環裝置。

但人們發現：任何熱機的轉換過程是：熱能（輸入）功+熱能（損耗）15熱運動的基本規律熱機的效率：

表述為熱機定律的熱力學第二定律：用熱能做功的任何循環過程必定也有熱能損耗。或者說，熱機用熱能做功的效率永遠小于100%。

輸出的功能量效率=---------------輸入的熱能16熱運動的基本規律

結論：熱機實際上是利用熱能從熱向冷的自然流動，分出一部分流動的熱能來做功。

做功的必要條件：高溫端+低溫端做功效率與溫差有關。

T輸入-T排出能量效率=--------------T輸入17熱運動的基本規律18熱運動的基本規律3.能量的品質：逐步降低熱量是一種特別的能量----品質較低。任何產生熱能的過程都有一種單向性，也叫不可逆性。

一個系統一旦產生了熱能，這個系統就永遠不能靠自己回到原先的狀態。

在能量轉換過程中，丟失的不是能量（能量是守恒的），但能量的品質丟失了。19熱運動的基本規律

當我們使用地球上的能源時，并不會減少地球的總能量。我們只不過是將能量從高度有用的形式（如石油中的化學能）降低為不那么有用的形式（通常就是熱能）。于是能量的兩大定律之一告訴我們：能量的數量是守恒的。另一條定律則告訴我們：能量的品質不斷下降。20熱運動的基本規律

第二類永動機從單一熱源吸熱使之完全變為有用功而不產生其它影響的熱機稱為第二類永動機。

在熱力學第一定律問世后，人們認識到能量是不能被憑空制造出來的，于是有人提出，設計一類裝置，從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能作為驅動永動機轉動和功輸出的源頭，這就是第二類永動機。歷史上首個成型的第二類永動機裝置是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設計的零發動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉。但是這一裝置無法持續運轉，因為汽化后的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化，因而不能完成循環。21熱運動的基本規律4.熵與熵增加定律

當熱能從熱向冷流動時，微觀無序程度總是增加。

熵：用來量度任何系統的微觀無序程度。這個物理量叫“熵”。22熱運動的基本規律

表述為熵增加定律的熱力學第二定律：任何物理過程的全部參加者的總熵（或微觀無序程度）在過程中不會減少，但可能增加。

熵增加定律預言：大多數過程是不可逆的。事實上，除了在亞原子層級上有一種很微妙的效應外，熱力學第二定律是區分向前與向后另個時間方向的唯一的物理學原理。23熱運動的基本規律

假如熱力學第二定律不成立：

1.靜止放在桌子上的書會自發地跳到空中。（熱能→動能+引力能）2.水能往山上（高處）流動。3.熱能可以從冷流向熱。4.人會越活越年輕。

……

熱力學第二定律的可怕結論：宇宙熱寂論。24熱運動的基本規律容易混淆的現象

1.樹葉的生長CO2+H2O→葡萄糖分子

2.生命的演變單細胞生物→高度有序的植物與動物25熱運動的基本規律熱力學第二定律并不排斥熱能的利用：

1.活塞將熱能轉換為功---汽車26熱運動的基本規律2.燃煤發電27熱運動的基本規律28熱運動的基本規律三、熱力學第三定律

1906年，德國物理學家能斯特在研究低溫條件下物質的變化時，把熱力學的原理應用到低溫現象和化學反應過程中，發現了一個新的規律，這個規律被表述為：“當絕對溫度趨于零時，凝聚系(固體和液體）的熵（即熱量被溫度除的商）在等溫過程中的改變趨于零。”德國著名物理學家普朗克把這一定律改述為：“當絕對溫度趨于零時，固體和液體的熵也趨于零。”這就消除了熵常數取值的任意性。1912年，能斯特又將這一規律表述為絕對零度不可能達到原理：“不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度。”這就是熱力學第三定律。29熱運動的基本規律制冷與供暖

1.什么叫“制冷”？制冷兩字只能說是技術上的術語，嚴格講是錯誤的，世界上沒有那國的科學家能制造出“冷”來。

在物理學中沒有冷的定義。“冷”和“熱”是相對的。我們把利用機械設備把降溫對象降到所需溫度的方法叫制冷，這是工程術語。熱量總是通過傳導、對流、輻射，從溫度高的物體轉移到溫度低的物體，絕不可能反過來進行。一個物體失去一些熱量后，它的溫度也會降低一些。“制冷”的目的就是通過制冷系統，將空氣中的熱量向比空氣溫度更低的制冷劑傳遞，達到降低空氣溫度的目的。

30熱運動的基本規律

什么叫制冷，比如我們將裝有一千克20℃冷水的水壺放到一塊燒到500℃的鐵板上，沒有多久水就開了，如果不拿開水壺，不多久水就干了。大家會說鋼板在對水加熱，反過來也可以說水在對鋼板降溫。而且，降了多少度，都可計算出來，因為一千克水從20℃升到100℃，它需要外界提供它80千卡熱量，水從100℃到燒干，它需要外界提供539千卡熱量，也就是說一公斤20℃冷水燒到干，要外界提供619千卡熱量。如果按制冷的角度它從外界或鋼板中提取了619千卡熱量而變成了水蒸汽，使鋼板降溫了，這就是制冷，是利用水對鋼板制冷。如果將水倒在鋼板上，那就更直觀了。這里的水就是制冷劑。

1kg純水溫度升高或降低1攝氏度，所吸收或放出的熱量為1kcal。1kcal＝4.1868kJ

31熱運動的基本規律32熱運動的基本規律33熱運動的基本規律34熱運動的基本規律2.供暖原理如果我們在壺嘴上套根管子，通到浴室，那就可以洗桑拿了，水壺就成小鍋爐了。水蒸汽進了浴室馬上凝結成小水珠（霧氣），放出熱量使浴室內溫度上升，同樣一公斤水燒成的一公斤蒸汽，汽在浴室里放出539大卡熱量后全部變成水，在蒸汽變成水的時候，小水珠的溫度是100℃，這是一個冷凝過程。當然小水珠會繼續放出熱量而降低溫度，等水珠變成水滴落到地上或附在墻壁上時，只有30℃左右了，這就不是冷凝過程了，而只是普通降溫過程。同樣將鍋爐蒸汽通到室內供熱排管中，室內供熱排管對蒸汽來說就成了冷凝器。35熱運動的基本規律如果供應的蒸汽壓力是1Kg/cm2

表壓力（實際是2個大氣壓），熱水汀表面溫度就是110℃，供熱排管向室內空氣散發熱量，使室內溫度上升，而蒸汽就在供熱排管內冷凝成水，如果向室內散發了539千卡熱量，供熱排管內就冷凝下來1公斤水。按制冷角度來講，這整個過程就是煤燃燒的熱量被水吸收而沸騰，成為蒸汽，蒸汽帶著吸收來的熱量來到供熱排管，供熱排管的表面向空氣散發了熱量，蒸汽失去熱量后又重新冷凝成蒸餾水，這水可通過設備回到鍋爐繼續使用。36熱運動的基本規律

3.

最簡單的制冷由四大要件組成：

①壓縮機；②冷凝器；③節流閥；④蒸發器。37熱運動的基本規律4.空調預備知識：

1.蒸發能制冷，蒸發越快，制冷越好。（如：酒精比水更容易蒸發

）溫度越高，蒸發越快。（如：洗曬的衣服，夏天比冬天容易干）

壓力越低，蒸發越快。（如：在青藏高原，水不到90℃就沸騰了，并開始蒸發

）

2.加壓可以使氣體變成液體，而且壓力越高，越容易變成液體。（如：液化氣）冷卻可以使氣體變成液體，溫度越低，越容易變成液體。（如：水蒸氣遇冷凝結成水）

38熱運動的基本規律39熱運動的基本規律

5.空調的工作原理

（1）低溫、低壓的氣態氟里昂被吸入壓縮機，被壓縮成高溫高壓的氣體氟里昂；（絕熱壓縮，時間短）（2）氣態氟里昂流到室外的冷凝器，在向室外散熱過程中，逐漸冷凝成高壓液體氟里昂；（等溫壓縮）（3）通過節流裝置降壓又變成低溫低壓的氣液氟里昂混合物。（絕熱膨脹）

（4）此時，氣液混合的氟里昂就開始空調制冷：它進入室內的蒸發器，