热运动的基本规律

热运动的基本规律林晓东文科物理1热运动的基本规律一、热力学第零定律

如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。

这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。2热运动的基本规律温标与温度

温标包括三个要素：测温物质及其测温属性、定标点、分度法。

摄氏温标摄氏温标的规定是：在标准大气压（1013.25百帕斯卡）下，水（冰）的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分为100等份，每等份为1℃。历史

1742年，瑞典天文学家安德斯·摄西阿斯（AndersCelsius，1701-1744）将一大气压下的水的冰点规定为100℃，沸点订为0℃，两者间均分成100个刻度，和现行的摄氏温标刚好相反。直到1743年才被修成现行的摄氏温标。

1954年的第十届国际度量衡大会特别将此温标命名为“摄氏温标”，以表彰摄氏的贡献。3热运动的基本规律2.绝对温标（热力学温标、开氏（Kelvin）温标）

规定摄氏零度以下273.15℃为零点，称为绝对零点。其分度法与摄氏温标相同（即绝对温标上相差1K时，摄氏温标上也相差1℃）；所不同的只是绝对温标上水的冰点定为273.15K，沸点定为373.15K。绝对零度，也就是-273.15℃（摄氏度）。理论上的最低温度，没有一个地方有这个温度，人类也不可能制造出来这个温度，只能无限的接近。在这温度下物体没有热能。

1995年，科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱克·科内尔和卡尔威曼利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢，成功地使一些铷原子温度达到了绝对零度之上的十亿分之二十度（2×10-8K）。事实上，在这样的非常温度下，物质呈现的既不是液体状态，也不是固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子”，它表现为一个单一的实体。

4热运动的基本规律3.华氏温标

在标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，中间有180等分，每等分为华氏1度。

华氏温度与摄氏度的换算为：

F=9/5C+32

C=5/9(F–32)

1714年，德国物理学家华伦海特（DanielGabrielFahrenheit，1686-1736）基于虎克的研究，将北爱尔兰最冷的某个冬日，水银柱降到最低的高度定为零度

，0℉，而概略的将人体温度定为100℉，两者间等分成100个刻度。后来，华伦海特改进了他创立的温标，把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度，以0°F表示之，把冰的熔点定为32°F，把水的沸点定为212°F，在32→212的间隔内均分180等分。5热运动的基本规律6热运动的基本规律二、热力学第一定律1.罗伯特·迈尔的灵感

1840到1841年初，迈尔在一艘开往印度尼西亚的荷兰商船上当了几个月的随船医生。在医治中迈尔发现船员处于热带时的静脉血比在温带（欧洲）时见的静脉血的颜色要红些。他还听到海员们说，下雨时海水比较热。这些现象引起了迈尔的深思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热；在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。另外，雨滴降落所获得的活力，也会产生出热来。迈尔认为，除了人体体热来自由食物转化而来的化学能之外，人体动力也来自同一能源。这样看来，热能、化学能、机械能都是等价的，而且是可以相互转化的。迈尔把他对能量定律的最初发现写成了一篇题为《论力的量和质的测定》的论文，投给德国当时的权威性刊物《物理学和化学年鉴》。但是，该杂志的主编波根道夫认为迈尔的文章引入了思辨的内容和缺少精确的实验根据而不予发表。迈尔在初次受挫之后，并不气馁，继续努力。后来他又写成《论无机界的力》一文，这篇文章被一向注意各种自然力之间的关系的李比希发表于他主编的《化学和药学年刊》1842年5月号上。7热运动的基本规律2.焦耳的实验

（各类实验历时40年）

在图A中，水盛在由绝热壁构成的容器内，重物下降带动叶片在水中搅动，水温受叶片搅动而升高。如果把水和叶片看作体系，其温度的升高(状态的改变)完全是重物下降作功的结果。在图B中，水和电阻器放在由绝热壁构成的容器内，接上电源，让稳定电流通过电阻器而使水温升高。如果把水和电阻器看作体系，其温度的升高完全是电源作功的结果。这两个绝热过程的实验结果表明：使同量之水升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的。1Cal=4.18J热功当量8热运动的基本规律3.亥姆霍兹（HermannvonHelmholtz，1821～1894）的贡献

德国物理学家，生理学家。1847年他在德国物理学会发表了关于力的守恒讲演，在科学界赢得很大声望，次年担任了柯尼斯堡大学生理学副教授。亥姆霍兹在这次讲演中，第一次以数学方式提出能量守恒定律。主要论点是：①一切科学都可以归结到力学。②强调了牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的，因而可以用拉氏方法以力所传递的能量或它所作的功来量度力。③所有这种能量是守恒的。亥姆霍兹发展了迈尔、焦耳等人的工作，讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成果，严谨地论证了各种运动中能量守恒定律。这次讲演内容后来写成专箸《力之守恒》出版。9热运动的基本规律

热力学第一定律：也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。

基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。

外界对系统所传递的热量，一部分使系统的内能增加，一部分用于系统对外做功。10热运动的基本规律

第一类永动机：

历史上有不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。

/bbs/viewthread.php?tid=106211热运动的基本规律水力“永动机”

1775的，法国科学院宣布：

本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计。

12热运动的基本规律蒸汽机13热运动的基本规律二、热力学第二定律

1.热传递

热传递有一种单向性：热能会自发地从较高的温度传到较低的温度，但不会自发地从较低的温度传到较高的温度。

-----表述为热传递定律的热力学第二定律14热运动的基本规律2.热机：用热能做功

燃烧、摩擦、击打等均产生热。自然界中产生热能较容易----几乎不可避免！

问题：何种过程或设备会将热能转化成其它形式的能量？

答案：热机，即用热能做功的循环装置。

但人们发现：任何热机的转换过程是：热能（输入）功+热能（损耗）15热运动的基本规律热机的效率：

表述为热机定律的热力学第二定律：用热能做功的任何循环过程必定也有热能损耗。或者说，热机用热能做功的效率永远小于100%。

输出的功能量效率=---------------输入的热能16热运动的基本规律

结论：热机实际上是利用热能从热向冷的自然流动，分出一部分流动的热能来做功。

做功的必要条件：高温端+低温端做功效率与温差有关。

T输入-T排出能量效率=--------------T输入17热运动的基本规律18热运动的基本规律3.能量的品质：逐步降低热量是一种特别的能量----品质较低。任何产生热能的过程都有一种单向性，也叫不可逆性。

一个系统一旦产生了热能，这个系统就永远不能靠自己回到原先的状态。

在能量转换过程中，丢失的不是能量（能量是守恒的），但能量的品质丢失了。19热运动的基本规律

当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球的总能量。我们只不过是将能量从高度有用的形式（如石油中的化学能）降低为不那么有用的形式（通常就是热能）。于是能量的两大定律之一告诉我们：能量的数量是守恒的。另一条定律则告诉我们：能量的品质不断下降。20热运动的基本规律

第二类永动机从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机称为第二类永动机。

在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机。历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。21热运动的基本规律4.熵与熵增加定律

当热能从热向冷流动时，微观无序程度总是增加。

熵：用来量度任何系统的微观无序程度。这个物理量叫“熵”。22热运动的基本规律

表述为熵增加定律的热力学第二定律：任何物理过程的全部参加者的总熵（或微观无序程度）在过程中不会减少，但可能增加。

熵增加定律预言：大多数过程是不可逆的。事实上，除了在亚原子层级上有一种很微妙的效应外，热力学第二定律是区分向前与向后另个时间方向的唯一的物理学原理。23热运动的基本规律

假如热力学第二定律不成立：

1.静止放在桌子上的书会自发地跳到空中。（热能→动能+引力能）2.水能往山上（高处）流动。3.热能可以从冷流向热。4.人会越活越年轻。

……

热力学第二定律的可怕结论：宇宙热寂论。24热运动的基本规律容易混淆的现象

1.树叶的生长CO2+H2O→葡萄糖分子

2.生命的演变单细胞生物→高度有序的植物与动物25热运动的基本规律热力学第二定律并不排斥热能的利用：

1.活塞将热能转换为功---汽车26热运动的基本规律2.燃煤发电27热运动的基本规律28热运动的基本规律三、热力学第三定律

1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体）的熵（即热量被温度除的商）在等温过程中的改变趋于零。”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。29热运动的基本规律制冷与供暖

1.什么叫“制冷”？制冷两字只能说是技术上的术语，严格讲是错误的，世界上没有那国的科学家能制造出“冷”来。

在物理学中没有冷的定义。“冷”和“热”是相对的。我们把利用机械设备把降温对象降到所需温度的方法叫制冷，这是工程术语。热量总是通过传导、对流、辐射，从温度高的物体转移到温度低的物体，绝不可能反过来进行。一个物体失去一些热量后，它的温度也会降低一些。“制冷”的目的就是通过制冷系统，将空气中的热量向比空气温度更低的制冷剂传递，达到降低空气温度的目的。

30热运动的基本规律

什么叫制冷，比如我们将装有一千克20℃冷水的水壶放到一块烧到500℃的铁板上，没有多久水就开了，如果不拿开水壶，不多久水就干了。大家会说钢板在对水加热，反过来也可以说水在对钢板降温。而且，降了多少度，都可计算出来，因为一千克水从20℃升到100℃，它需要外界提供它80千卡热量，水从100℃到烧干，它需要外界提供539千卡热量，也就是说一公斤20℃冷水烧到干，要外界提供619千卡热量。如果按制冷的角度它从外界或钢板中提取了619千卡热量而变成了水蒸汽，使钢板降温了，这就是制冷，是利用水对钢板制冷。如果将水倒在钢板上，那就更直观了。这里的水就是制冷剂。

1kg纯水温度升高或降低1摄氏度，所吸收或放出的热量为1kcal。1kcal＝4.1868kJ

31热运动的基本规律32热运动的基本规律33热运动的基本规律34热运动的基本规律2.供暖原理如果我们在壶嘴上套根管子，通到浴室，那就可以洗桑拿了，水壶就成小锅炉了。水蒸汽进了浴室马上凝结成小水珠（雾气），放出热量使浴室内温度上升，同样一公斤水烧成的一公斤蒸汽，汽在浴室里放出539大卡热量后全部变成水，在蒸汽变成水的时候，小水珠的温度是100℃，这是一个冷凝过程。当然小水珠会继续放出热量而降低温度，等水珠变成水滴落到地上或附在墙壁上时，只有30℃左右了，这就不是冷凝过程了，而只是普通降温过程。同样将锅炉蒸汽通到室内供热排管中，室内供热排管对蒸汽来说就成了冷凝器。35热运动的基本规律如果供应的蒸汽压力是1Kg/cm2

表压力（实际是2个大气压），热水汀表面温度就是110℃，供热排管向室内空气散发热量，使室内温度上升，而蒸汽就在供热排管内冷凝成水，如果向室内散发了539千卡热量，供热排管内就冷凝下来1公斤水。按制冷角度来讲，这整个过程就是煤燃烧的热量被水吸收而沸腾，成为蒸汽，蒸汽带着吸收来的热量来到供热排管，供热排管的表面向空气散发了热量，蒸汽失去热量后又重新冷凝成蒸馏水，这水可通过设备回到锅炉继续使用。36热运动的基本规律

3.

最简单的制冷由四大要件组成：

①压缩机；②冷凝器；③节流阀；④蒸发器。37热运动的基本规律4.空调预备知识：

1.蒸发能制冷，蒸发越快，制冷越好。（如：酒精比水更容易蒸发

）温度越高，蒸发越快。（如：洗晒的衣服，夏天比冬天容易干）

压力越低，蒸发越快。（如：在青藏高原，水不到90℃就沸腾了，并开始蒸发

）

2.加压可以使气体变成液体，而且压力越高，越容易变成液体。（如：液化气）冷却可以使气体变成液体，温度越低，越容易变成液体。（如：水蒸气遇冷凝结成水）

38热运动的基本规律39热运动的基本规律

5.空调的工作原理

（1）低温、低压的气态氟里昂被吸入压缩机，被压缩成高温高压的气体氟里昂；（绝热压缩，时间短）（2）气态氟里昂流到室外的冷凝器，在向室外散热过程中，逐渐冷凝成高压液体氟里昂；（等温压缩）（3）通过节流装置降压又变成低温低压的气液氟里昂混合物。（绝热膨胀）

（4）此时，气液混合的氟里昂就开始空调制冷：它进入室内的蒸发器，