物理化学论文系别：专业：姓名：学号：班级：热力学定律论文论文摘要：本论文就物理化学的热力学三大定律的具体内容展开思考、总结论述。

同时，也就物理化学的热力学三大定律的生活、科技等方面的应用进行深入探讨。

正文：一、热力学第一定律：热力学第一定律就是宏观体系的能量守恒与转化定律。

“IUPAC”推荐使用‘热力学能’，从深层次告诫人们不要再去没完没了的去探求内能是系统内部的什么东西”，中国物理大师严济慈早在1966年就已指出这点。

第一定律是1842年前后根据焦耳等人进行的“功”和“热”的转换实验发现的。

它表明物质的运动在量的方面保持不变，在质的方面可以相互转化。

但是，没有多久，人们就发现能量守恒定律与1824年卡诺定理之间存在“矛盾”。

能量守恒定律说明了功可以全部转变为热：但卡诺定理却说热不能全部转变为功。

1845年后的几年里，物理学证明能量守恒定律和卡诺定理都是正确的。

那么问题出在哪呢?由此导致一门新的科学--热力学的出现。

自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中，能量的总量不变。

其数学描述为：Q=△E+W，其中的Q和W分别表示在状态变化过程中系统与外界交换的热量以及系统对外界所做的功，△E表示能量的增量。

一般来说，自然界实际发生的热力学过程，往往同时存在两种相互作用，即系统与外界之间既通过做功交换能量，又通过传热交换能量。

热力学第一定律表明：当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的增量等于在这个过程中外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的总和。

或者说：系统在任一过程中所吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界所作的功之和。

热力学第一定律表达了内能、热量和功三者之间的数量关系，它适用于自然界中在平衡态之间发生的任何过程。

在应用时，只要求初态和终态是平衡的，至于变化过程中所经历的各个状态，则并不要求是平衡态好或无限接近于平衡态。

因为内能是状态函数，内能的增量只由初态和终态唯一确定，所以不管经历怎样的过程，只要初、终两态固定，那么在这些过程中系统内能的增量、外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的之和必定都是相同的。

热力学第一定律是能量转化和守恒定律在射击热现象的过程中的具体形式。

因为它所说的状态是指系统的热力学状态，它所说的能量是指系统的内能。

如果考察的是所有形式的能量（机械能、内能、电磁能等），热力学第一定律就推广为能量守恒定律。

这个定律指出：自然界中各种不同形式的能量都能从一种形式转化为另一种形式，由一个系统传递给另一个系统，在转化和传递中总能量守恒。

能量守恒定律是自然界中各种形态的运动相互转化时所遵从的普遍法则。

自从它建立起来以后，直到今天，不但没有发现任何违反这一定律的事实，相反地，大量新的实践不断证明着这一定律的正确性，丰富着它所概括的内容。

能量守恒定律的确立，是生产实践和科学实验长期发展的结果，在长期的实践中，人们很早以来就逐步形成了这样一个概念，即自然界的一切物质在运动和变化的过程中，存在着某种物理量，它在数量上始终保持恒定。

能量守恒定律的实质，不仅在于说明了物质运动在量上的守恒，更重要的还在于它揭示了运动从一种形态向另一形态的质的转化，所以，只有当各种运动形式之间的相互转化，特别是机械运动和热运动之间的相互转化明确而广泛地被揭示出来时，能量守恒定律才会最终地被确立起来。

其中，当我们研究热力学第一定律时，还要提及的就是第一类永动机，接下来让我们看一下第一类永动机的定义，即某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或作功，这叫“第一类永动机”，这种机器不需要外界提供能量,却可以源源不断的对外做功。

显然，第一类永动机违反热力学第一定律，因此热力学第一定律有可以表述为：不可能制造出第一类永永动机。

任何定律从提出开始就会受到人们不断的质疑和挑战。

所以从热力学第一定律提出之后，人们提出了种种第一类永动机的设计方案。

以下我们分析一下几种第一类永动机的设计方案。

（1）奥恩库尔的永动机据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆。

他设想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些,就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。

分析：设想该机器置于真空当中，即运行时不受到空气阻力，但我们知道轮轴与转盘的接触面不可能绝对光滑，运行时势必会产生摩擦阻力，此时机械能转化成摩擦热能，机器将会慢慢停止。

此方案不可行。

（2）滚珠永动机滚珠永动机是利用格板的特殊形状，使一边重球滚到比另一边的距离轮心远些的地方。

设计者本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。

分析：我们先忽略其实践结果。

滚珠式永动机的设计原理与奥恩库尔的永动机是相同的，都利用了轮新左右两边力矩不相等使轮轴不断转动。

该设想也同样无法解决摩察阻力的问题，且在运转时，可能会出现一个正好使得轴心左右两端力矩相等的位置，这是如果轮轴的角速度正好为零，则机器停止转动。

该设计不论从原理上或实践中都是失败的。

（3）软臂永动机1570年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。

A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚下去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。

分析：软臂永动机的臂可以弯曲。

臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。

转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。

设计者认为这样可以使机器获得转矩。

然而，他没有想到力臂虽然缩短了，力却增大了，转轮只能停止在原地。

（4）阿基米德螺旋永动机把水从蓄水池里汲到上面的水槽里，让它冲击水轮使之转动，轮子在带动水磨的同时，又通过一组齿轮带动螺旋汲水器把水重新提到水槽里去。

这样，整台机械就可以永不停息地运转下去。

可行性分析：这样的设计当然也必然以失败告终。

因为即使没有摩擦力，从水槽中流下的水的冲力,也不足以既带动水磨工作,又带动汲水器把全部流下的水重新汲回到原来的高度。

（5）浮力型永动机利用球的重力使球串向下并接触水面，进而利用水的浮力上升，推动轮子转动。

可行性分析：浮力控制，出口的的坡度控制（影响求脱离管子落到轴轮上的速度）都很难精确地实现。

运转过程中只要有水漏出，下一个球将无法从管道中落下，且随着轴轮转动时间增长，摩擦阻力增大，轴将停止转动。

人们认为以上各设计方案都很巧妙，充分利用了大自然中本来就存在的力，如磁力，水的浮力以及力矩作用。

当然，近年来也有人提出了可以利用万有引力提供远远不断力的来源，或者可以利用电磁力实现永动。

但我们不能忽视一个在所有设想方案中都存在的问题---器械间的摩擦阻力。

在实现器械间零摩擦前，不可能制造出第一类永动机。

所以解决摩擦问题是关键，近年来提出利用超导体来实现无摩擦。

我们知道，温度越低，超导的效果越好，当无限接近绝对零度时，也许可以彻底消除摩擦。

但由热力学第三定律，绝对零度不可能达到。

以当前的科学技术，实验室温度最多达到一百多开尔文。

就当今科学技术发展而言我认为第一类永动机不可能制造出来。

不过，科技在不断发展，随着一个个定律被推翻，也许，第一类永动机会被成功制造。

应用：技术上的循环实例，在热动力设备中，多数是通过气体进行一系列热力学过程来实现热功转换的。

例如生活中常见的内燃机，它们是利用工作物质作正循环的热力学过程，而利用逆循环则可制成致冷机，常见的有家用电冰箱、空调机。

常见热机的工作原理：1. 汽油内燃机：定体加热循环——奥托循环，四个冲程依次为吸气冲程、压缩冲程、动力冲程、排气冲程。

2. 柴油内燃机：定压加热循环——狄塞尔循环，四个冲程依次为吸气冲程、压缩冲程、动力冲程、排气冲程。

与汽油机不同的是它吸入的不是混合气而是空气，燃料的燃烧也不是靠电火花点燃而是压燃。

常见致冷机的工作原理：1. 电冰箱：一般的家用电冰箱是利用氨蒸汽压缩制冷装置的制冷原理。

工质氨在标准大气压下的沸点为-33.35℃,在室温下为蒸汽状态，但加压即可使之液化。

电动机带动的压缩机将氨蒸汽压缩到压强为9.09×105Pa,温度达到70℃。

氨蒸汽经冷凝器散热冷却到20℃并凝结为液态氨。

然后经膨胀阀压强降到约 3.03×105Pa而进入位于冷冻室内的蒸发器，在蒸发器中液氨沸腾，从冷冻室中吸收汽化热而全部变为-10℃的气体，使冷冻室内的温度降至-5℃，氨蒸汽本身再进入压缩机重新进行下一循环。

在这一循环过程中，伴随着外界作功，工质氨从低温物体吸收热量传给高温物体，达到使低温物体更加冷却的目的。

2. 空调机：空调机的循环与电冰箱相同，一般也采用蒸汽压缩制冷，不同的是它可以通过一个电磁换向阀使制冷剂（工质）改变流向。

在夏季，使被压缩后高温高压蒸汽先通过室外换热器经凝结而向室外空气（高温热源）散热，然后变成低压液体通过室内换热器经蒸发而从室内空气（低温热源）吸热，把空调设备用作制冷机，是室内降温；冬季，使被压缩的蒸汽先通过室内换热器凝结而向室内空气（高温热源）放热，然后变成低压液体通过室外换热器经蒸发而室外空气（低温热源）吸热，把设备用作热泵，给室内供热。

二、热力学第二定律：自然界自发进行的过程具有方向性,总是由非平衡态走向平衡态 1. 开尔文表述(1851年)：不可能制成一种循环动作的热机,只从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。

2. 克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。

下面我们从反面来说明这两种说法的确是等价的：①如果我们否定克劳修斯的说法，认为热量可以自发地从低温物体B传向高温物体A，见图4－1（a）的示意图，设这个热量为Q，我们再设想有一个卡诺热机，从高温热源A吸取热量Q，一部分转化为有用功W，另一部分Q′传给了低温热源B，这样的整个过程中，高温热源A没有发生变化，相当于只从低温热源B吸收了（Q－Q′）的热量而全部转化为有用功，而不产生其他影响，从而开尔文的说法也就被否定了。

②反过来，如果我们否定了开尔文的说法，认为可以从单一热源A吸取热量，全部转化为有用功而不产生其他影响，见图4－1（b）的示意图，设这部分热量为Q1，做的有用功为W1（Q1－W1），我们再设想这部分有用功是带动一个理想的致冷机工作，它从另一个低温热源B处吸收热量Q2，向热源A放出热量Q1′，则满足Q1′=Q2＋W1，而Q1=W1，所以Q1′=Q2＋Q1。

这样，总的效果相当于从低温热源B处吸收了热量Q。

，向高温热源A放出的热量Q1′，在补偿了Q1以后，正好也是Q2，这就等于热量Q。

自发地从低温热源B传向了高温热源地并没有发生其他变化，这就否定了克劳修斯的说法。

以上我们从正反两个方面说明了关于热力学第二定律的两种说法是等价的，它们都是关于自然界涉及热现象的宏观过程的进行方向的规律。