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热力学三大定律

物理热学工学基础定律

热力学第一定律是能量守恒定律。 热力学第二定律有几种表述方式： 克劳修斯表述为热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；开尔文-普朗克表述为不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。以及熵增表述：孤立系统的熵永不减小。 热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零， 或者绝对零度（T=0K）不可达到。

第一定律
热力学第一定律也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。
内容
一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。）
表达式:
考虑有粒子交换的情况下
符号规律
：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功，向外界散热和内能减少的情况，因此在使用：△U=Q+W时，通常有如下规定：
①外界对系统做功，W＞0,即W为正值。
②系统对外界做功，W＜0,即W为负值。
③系统从外界吸收热量，Q＞0，即Q为正值。
④系统对外界放出热量，Q＜0，即Q为负值。
⑤系统内能增加，△U＞0，即△U为正值。
⑥系统内能减少，△U＜0，即△U为负值。
理解
从三方面理解
1.如果单纯通过做功来改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来度量，这时系统内能的增加（或减少）量△U就等于外界对物体（或物体对外界）所做功的数值，即△U=W。
2.如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化可以用传递热量的多少来度量，这时系统内能的增加（或减少）量△U就等于从外界吸收（或对外界放出）热量Q的数值，即△U=Q。
3.在做功和热传递同时存在的过程中，系统内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，系统内能的增量△U就等于从外界吸收的热量Q和外界对系统做功A之和。即△U=W+Q。
能量守恒定律
能量既不能凭空产生，也不能凭空消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。
能量的多样性
物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。
不同形式的能量转化
“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能......这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的。
能量守恒的意义
1.能的转化与守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍。例如物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量守恒。
2.能量守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄重宣告了第一类永动机幻想的彻底破灭。
3.能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来。
第一类永动机
第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。
其不可能存在，因为违背了能量守恒定律
第二定律
热力学第二定律有几种表述方式：
克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；
开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。
熵表述：随时间进行，一个孤立体系中的熵不会减小。
关系
热力学第二定律的两种表述（前2种）看上去似乎没什么关系，然而实际上他们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个。
意义
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
热力学第二定律的解释是熵是趋向于总体增大,比如1L90℃水(A)和1L10℃水(B)融合,不会是A的温度增加而B的温度减小，因为如此的话，总体的熵减小。如果A温度降但B温度升高一点，其总体的熵增加。
微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
第二类永动机（不可能制成）
只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
因为第二类永动机效率为100%，虽然它不违反能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。第二类永动机违反了热力学第二定律。
第三定律
热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。 或者绝对零度（T=0K即-273.15℃）不可达到。
R.H.否勒和E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K，称为0K不能达到原理。
第零定律
热力学第零定律：如果两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡，那么它们也必定处于热平衡 。也就是说热平衡是传递的。
热力学第零定律是热力学三大定律的基础，它定义了温度。
（因为在三大定律之后，人类才发现其重要性，故称为“第零定律”）
热力学基本方程
在热力学定律中：
第零定律给出了温度T的定义；
第一定律给出了能量守恒的关系；
第二定律给出了熵增原理；
第三定律告诉人们绝对零度无法达到。
结合以上定律和公式，可以得出热力学基本方程：
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