熱力學(xué)

高文竹　姜立偉

[摘 要]熱學(xué)是大學(xué)物理的一個重要分支，主要研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，是熱能與動力工程、暖通空調(diào)、冶金以及工程物理等大學(xué)專業(yè)的理論基礎(chǔ)。熱力學(xué)改變了生產(chǎn)的方式，改變了人們的生活方式，改變了世界。人類生存環(huán)境的極度惡化也源于人類大規(guī)模地使用熱能。熱量的使用是人類自誕生以來永恒的主題，怎樣高效地運用熱能永遠是人類努力的方向。

[關(guān)鍵詞]熱量 定律 熱力學(xué) 改變世界

[中圖分類號] O414.1 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）05-0046-02

在各個版本的大學(xué)物理教材中，熱力學(xué)作為自然科學(xué)的一個重要分支，都在其中占有一席之地。眾所周知，物理學(xué)包括：力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)和核物理學(xué)。與其他分支一樣，熱力學(xué)也發(fā)展成了一門系統(tǒng)完整的科學(xué)。

自人類誕生以來，熱量在人們的生產(chǎn)生活中就起著支配性的作用。人們靠著太陽輻射或者動物的皮毛來取暖，在炎炎夏日又必須在樹蔭或者洞穴中躲避太陽的炙烤。當(dāng)人類第一次掌握了火的用法，從自然界汲取熱量就變得簡單起來。人類從此結(jié)束了茹毛飲血的時代，開始享受熟食的美味和健康。人類根據(jù)不同時間太陽輻射地球的熱量，將一年自然地分成了春、夏、秋、冬四季，又將每一天的時間分為上午、中午、下午、黃昏等不同的時間段。植物有一個巨大的本領(lǐng)，就是利用太陽輻射的能量，將二氧化碳吸收后釋放出氧氣，于是整個地球開始熙熙攘攘，生機勃勃。由此可見，熱量的使用是人類自誕生以來永恒的主題，怎樣高效地利用熱能永遠是人類努力的方向。

一、熱力學(xué)三大定律

（一）熱力學(xué)第一定律

熱力系內(nèi)物質(zhì)的能量可以傳遞，其形式可以轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變。這被稱為熱力學(xué)第一定律，它昭示了能量的永恒，不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅。在大自然的鐵律面前，人類是那么的無力和渺小。第一定律提出之前，全世界的科學(xué)家們孜孜以求的是設(shè)計并制造一種可以不消耗能量而能永遠做功的機械，科學(xué)界稱之為“第一類永動機”。然而，第一定律提出后，迅速搶占了理論的制高點，“永動機”無論設(shè)計多么精巧，制造多么精密，在這一定律面前都迅速土崩瓦解，徹底失敗。

解析：液體的蒸發(fā)是典型的熱量傳遞和轉(zhuǎn)化的過程，液體從外界吸收熱量進行蒸發(fā)，并且蒸汽抵抗外界大氣壓力進行蒸發(fā)，總的能量不會變化。一種物質(zhì)的蒸發(fā)比容和蒸發(fā)熱都是物質(zhì)本身的特性。在本題中，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，只要液體吸收的熱量和做的功能夠相等，可以簡單地給出解答。

（二）熱力學(xué)第二定律

不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。這就是熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵。當(dāng)?shù)谝活愑绖訖C破產(chǎn)之后，全世界的科學(xué)家們又致力于第二類永動機的開發(fā)，這類機械只需從單一熱源吸收熱能便能獲得永遠對外做功的動力，曾經(jīng)是人們對于未來社會的終極愿望之一，但是又被上面的定律徹底地粉碎掉，于是上面的一段話有了一個簡單地總結(jié)：第二類永動機不可能實現(xiàn)。

第一定律揭示了熱量的永恒，第二定律則揭示了熱量傳遞的方向性，即只能從高溫向低溫傳遞，這一定律后來發(fā)展出了一門叫做傳熱學(xué)的熱學(xué)分支。熱的傳遞與問題本身保有的內(nèi)能數(shù)量無關(guān)，一缸50℃的水保有的內(nèi)能肯定比一枚100℃的繡花針保有的內(nèi)能多，但是當(dāng)這兩個物體接觸時，熱量肯定是從繡花針向水進行傳遞，這就是大自然的規(guī)律，這就是科學(xué)。

（三）熱力學(xué)第三定律

不可能用有限個手段和程序使一個物體冷卻到絕對溫度零度，或者絕對零度不可能達到，這句話就是著名的熱力學(xué)第三定律。絕對零度是熱力學(xué)第三定律中最為重要的一個概念。1848年，開爾文（Kelvin）提出熱力學(xué)溫標(biāo)，它是建立在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上的，與測溫物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。 開爾文建議用此原理定義溫標(biāo)，稱為熱力學(xué)溫標(biāo)，通常也叫做絕對溫標(biāo)，以開（K）表示。在此之前，國際上尚未一種統(tǒng)一的溫度標(biāo)定方法。攝氏溫度、華氏溫度占據(jù)了人們的生活，并且一直與標(biāo)準(zhǔn)溫度并用至今。氦、氫、氮等氣體在溫度較高、壓強不太大的條件下，其性質(zhì)接近理想氣體。所以，這種氣體溫度計的讀數(shù)可以校正為熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)用單一固定點定義，規(guī)定“熱力學(xué)溫度單位開爾文（K）是水三相點熱力學(xué)溫度的1273.16”。水的三相點熱力學(xué)溫度為273.16K。熱力學(xué)溫標(biāo)與通常習(xí)慣使用的攝氏溫度分度值相同，只是差一個常數(shù)T=273.15+t度。由于氣體溫度計的裝置復(fù)雜，使用很不方便，為了統(tǒng)一國際間的溫度量值，規(guī)定-273.15℃并定義為0K，即絕對零度。

熱力學(xué)第三定律對熱學(xué)中的一個重要概念——熵，進行了描述，在任何過程中，熵總是在增加的。這里涉及熱的本質(zhì)，即物體分子的運動，分子振動或者運動得越劇烈，則溫度越高，當(dāng)分子運動停止時，理論上說達到了絕對零度，但運動是分子最基本的性質(zhì)之一，令其靜止是不可能實現(xiàn)的，所以絕對零度不可能達到。

二、 熱力學(xué)改變世界

（一）改變生產(chǎn)的方式

自從人類掌握了火的使用方法，人們在獲取熱量方面取得了一定的主動性。于是人類利用自己采集到的樹木、煤炭為燃料來燒水做飯，這些植物或者植物化石的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了熱能，后來被大規(guī)模地運用到工業(yè)化的冶鐵、煉鋼等行業(yè)中。人類大規(guī)模的生產(chǎn)誕生于蒸汽機的發(fā)明，因為這臺據(jù)說是受到爐子燒水蒸汽沖擊壺蓋而發(fā)明的機械將熱能轉(zhuǎn)化為了可用于生產(chǎn)的機械能，于是人類迎來了第一次工業(yè)革命，大大加快了人類文明的進程。

擁有產(chǎn)生大功率強動力的機械設(shè)備一直是人類的夢想。1775至1800年的25年間，瓦特和波爾頓在英國共安裝289臺蒸汽機。隨后，蒸汽機開始用于其他的工業(yè)用以產(chǎn)生強勁的動力。各個生產(chǎn)部門都實行機械化，機械工業(yè)的產(chǎn)生可以看做是機械化的一個重要標(biāo)志。

（二）改變?nèi)藗兊纳罘绞?/p>

蒸汽機在工業(yè)大生產(chǎn)中做出突出貢獻的同時，也給人們的生活帶來了很多的便捷。人們從此擺脫了必須依靠河流來發(fā)展的傳統(tǒng)模式，將蒸汽機與車輛、輪船相結(jié)合，就有了現(xiàn)代的火車和蒸汽輪船，于是人們的出行變得分外的便捷起來，橫渡太平洋也成為易于實現(xiàn)的現(xiàn)實。馬克思說：“生產(chǎn)力決定生產(chǎn)關(guān)系?！彪S著大工業(yè)的發(fā)展，資本家和工人這一對矛盾的階級走上了歷史的舞臺。工業(yè)的組織結(jié)構(gòu)也改變了人們之間的關(guān)系。工人的大量產(chǎn)生導(dǎo)致了一個無產(chǎn)階級的壯大，世界的格局產(chǎn)生了巨大的變化。

蒸汽機推動了發(fā)電機，一直應(yīng)用到現(xiàn)在，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，使得人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。工業(yè)大生產(chǎn)使人們開始大規(guī)模地聚居，大城市開始產(chǎn)生。1760年時，除倫敦之外，只有布里斯托爾的人口在5萬以上。但到1831年，格拉斯哥已是二十幾萬人口的大工業(yè)城都市了，有328臺蒸汽機，分裝在六十多艘汽船和107家紡織廠中。1841年，大倫敦的人口為223.9萬，是80年前的3倍；全國10萬人口以上的城市有9個，5萬以上的有24個。在大小所有城鎮(zhèn)中，以工廠為中心的小城鎮(zhèn)發(fā)展特別快。

（三）破壞人類生存環(huán)境

任何東西都有其兩面性，熱量也是如此。人類生存環(huán)境的極度惡化也源于人類大規(guī)模地使用熱能。自從第一工業(yè)革命開始，為了適應(yīng)大生產(chǎn)的需要，巨量樹木、煤炭、石油被使用，產(chǎn)生出大量的溫室氣體CO2以及有害氣體SO2，這些嚴重破壞了大自然的生態(tài)平衡，甚至給人類帶來了災(zāi)難。全球氣溫的升高致使南北極的冰蓋融化，海平面升高，大陸邊緣很可能變成汪洋，硫的氧化物在空氣中氧化并且與水結(jié)合形成硫酸，使得倫敦經(jīng)歷多次酸雨的洗禮。

三、結(jié)語

在人類的歷史上，火的使用使得人類擺脫了茹毛飲血的野蠻，而蒸汽機的發(fā)明，成功地將熱能轉(zhuǎn)化為了機械能，機械能又通過別的方式或傳遞或轉(zhuǎn)化，于是世界開始了它的高速發(fā)展。然而，在世界高速發(fā)展的同時，環(huán)境污染問題也變得日益嚴重起來，需要人們給予更多的關(guān)注。熱力學(xué)是大學(xué)物理的一個重要分支，學(xué)好這部分知識，更加合理地運用熱能，是每一個理工科大學(xué)生肩上沉甸甸的使命。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 宋明玉.大學(xué)物理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2] 閻康年.熱力學(xué)史[M].濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[責(zé)任編輯：黃春香]