从四大定律角度对热力学学习的认识
2013级物理萃英班洪熹宇
摘要：
热力学是一门研究热运动的宏观理论，它与统计物理学的研究目的，都在于研究运动的规律，同时研究与热运动有关的物性，以及宏观物质系统的演化过程。

但是它与统计物理学的研究方法上有着很大的不同，统计物理学侧重于从微观角度分析和解决问题，而热学的基础则是建立在宏观的基础上。

它是一种唯象的宏观理论，具有较高的普适性和一般性。

本文由学生在热力学学习过程中，将自己的体会与知识相结合，从四大定律着手给出学生对于热力学研究意义的思考和认识。

关键词：热力学三大定律，热平衡定律，能量守恒，自由能，熵，绝对零度
正文：
一、热力学四大定律的发现与形式
宏观角度看待问题的是经典的，因此热力学总是能给出一个条件给定系统的最终平衡状态的各个参数。

人们在对热力学研究的基础上，总结出了热力学的三大定律，加上热平衡定律，便构成了热力学最主要的四个结论。

首先，能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。

它指出，自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，这种不同形式的能量都可以转移（从一个物体传递到另一个物体），也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式)，但在转移和转换过程中，它们的总量保持不变。

这一规律成为能量守恒与转换定律。

能量守恒与转换定律应用在热力学中，或者说应用在伴有热效应的各种过程中，便是热力学第一定律。

历史上，焦耳在绝热过程中所做的两个实验，首先认识到外界对于系统所做的功，仅仅与系统的初态和末态是相关联的。

在此人们定义了一个内能的概念，它的意义是，系统在末态和初态的内能之差，等于在过程中外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和，这便是热力学第一定律的数学表达形式。

此外，在工程热力学上，热力学第一定律也可表述成“热是能的一种，机械能变热能或热能变机械能时，它们之间的比值是一定的”，或者“热可以变功，功可以变热。

一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时必定出现与之相应量的热”。

其次，人们在各类实验基础上又发现了热力学第二定律。

卡诺在研究中发现，各种热机运动最终都服从于卡诺关于可逆热机的两个定理。

然而卡诺在热机工作过程的认知上并不正确，由此克劳修斯和开尔文分别提出了热力学第二定律的两种表述：开尔文提出了“利用无生命物质的作用，把物质任何部分冷到比它周围最冷的客体以下，以产生机械效应，这是不可能的”。

现在表述为“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而不产生其它影响”，克劳修斯提出了“不可能把热量，从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。

”，二者分别从不同角度说明了热力学第二定律的实质，即任何与热现象有关的实际过程都有着其自发进行的方向，是不可逆的。

这两种表述也可以相互进行逻辑上的论证，由此也发现了不同种类的不可逆过程本质上其实是可以互相进行推断的。

特别的，在孤立系统下，由热力学第二定律可以推出重要的熵增加原理，为今后判断孤立系统的稳定平衡条件提供了依据。

随着科学研究的深入和对于低温条件获取的需要，人们在思考，究竟可不可以通过有限的过程实现绝对零度？20世纪初,人们通过对低温下热力学现象的研究,确定了物质熵值的零点,逐步建立起了热力学第三定律,进而提出了规定熵的概念,为解决一系列的热力学问题提供了极大的方便。

热力学第三定律可以准确、简洁的表述为:0K时,任何完美晶体的熵值为0。

也可以表达为，绝对零度不能达到。

最后我们有热平衡定律：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。

也就是说热平衡是递传的。

以上四个定律被称为热力学的四个定律，其中前三个定律给出了热力学研究的基础和方法，而热力学第零定律是热力学三大定律的基础。

值得注意的是，理想气体在热力学三大定律中一直具有着重要的物理意义和研究价值。

非理想气体的性质虽然接近于实际，但是由于参数过大而变得很难去理解。

而借助于理想气体的近似，我们可以由热力学三大定律导出许多简明而富有物理意义的结论，比如理想气体的内能仅仅与温度有关，其定容热容量，定压热容量的表达式也更加简单，更好的是，我们还可以得出理想气体熵，焓以及吉布斯函数等的具体表达式。

这些近似在物理学中具有着简明且生动的意义。

三大定律也引发了人们对于不同热力学函数的探索。

如自由能函数便是在热力学第一，第二定律的基础上，用来衡量等温过程下系统对外所做功的函数，并相应给出了所谓的自由能判据。

二、热力学三大定律的现实意义和关系
我们既不能创造，也不能消灭能量。

宇宙中的能量总和一开始便是固定的，而且永远不会改变，但它可以从一种形式转化为另一种形式。

一个人、一幢摩天大楼、一辆汽车或一棵青草，都体现了从一种形式转化成为另一种形式的能量。

宇宙的能量总和是个常数，但是总的熵是不断增加的。

熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。

蒸汽机之所以能做功，是因为蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。

换一句话说，要把能量转化为功，一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异(即温差)。

当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度(或由较高温度变为较低温度)时，它就做了功。

每一次能量从一个水平转化到另一个水平，都意味着下一次能再做功的能量就减少了。

这两种不同的能量状态分别被称为自由能量或有效能量，和无效的能量或者封闭的能量。

熵的增加就意味着有效能量的减少。

每当自然界发生任何事情，一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。

被转化成了无效状态的能量构成了我们所说的污染。

耗散了的能量就是污染。

既然根据热力学第一定律，能量既不能被产生又不能被消灭，而根据热力学第二定律，能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化，那么污染就是熵的同义词。

它是某一系统中存在的一定单位的无效能量。

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，因为它违背了能量守恒定律。

第二类永动机是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。

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。

由热力学第一定律和第二定律，人们导出了不同的热力学函数与麦氏关系，并积极应用在工程，生活，科研的不同领域。

如人们通过节流过程和绝热膨胀过程获得有效的低温环境。

这些原理拥有很高的普适性，在磁介质中也有着重要的应用。

一个例子就是著名的绝热去磁制冷效应和压磁效应。

在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化。

在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图。

而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度。

现代科学可以使用绝热去磁的方法达到5×10^-10K，但永远达不到0K。

根据热力学第三定律，基态的状态数目只有一个。

也就是说，第三定律决定了自然界中基态无简并。

三、热力学的局限性与统计物理学简述
热力学与统计物理学的不同之处在于研究对象上并没有考虑物体的微观结构，它把物体看作是连续体，用连续函数表达物质的性质，因此不能解释涨落现象，这就是热力学的局限性所在。

教材中告诉我们，统计物理学是热运动的微观理论，统计物理学从宏观物质系统是由大量微观粒子所构成这一事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子性质的集体表现，宏观物理量是微观物理量的统计平均值，由于统计物理学深入到了热运动的本质，因此就能够把热力学中三个相互独立的基本规律归结于一个基本的统计原理，阐明这三个定律的统计意义，还可以解释涨落现象。

不仅如此，在对物质的微观结构做出某些假设之后，应用统计物理学理论还可以求得具体物质的特性，并阐明产生这些特性的微观机理。

但统计物理学也有它的局限性。

由于统计物理学对物质的微观结构所做的一般只是简化的模型假设，所得的理论结果也就往往是近似的。

总结：
热力学与统计物理学分别从宏观和微观角度解释了热现象，它们之间有着深刻的关系，在热研究过程中是相辅相成的。

热力学的四个定律的提出和其本质都很好地概括了热现象的本质，体现了物理学的哲学之美。

在本学期的第二阶段中，要注意到热力学与统计物理之间的联系，做到融会贯通，同时也要打好数学基础，为统计物理做好理论学习的基础。

参考文献：汪至诚《热力学与统计物理》
徐洪琳《热力学发展史》
郑久仁周子舫《热学热力学统计物理》。