1．热力学第一定律热力学第一定律的主要内容，就是能量守恒原理。

能量可以在一物体与其他物体之间传递，可以从一种形式转化成另一种形式，但是不能无中生有，也不能自行消失。

而不同形式的能量在相互转化时永远是数量相当的。

这一原理，在现在看来似乎是顺理成章的，但他的建立却经历了许多失败和教训。

一百多年前西方工业革命，发明了蒸汽机，人们对改进蒸汽机产生了浓厚的兴趣。

总想造成不供能量或者少供能量而多做功的机器，曾兴起过制造“第一类永动机”的热潮。

所谓第一类永动机就是不需供给热量，不需消耗燃料而能不断循环做工的机器。

设计方案之多，但是成千上万份的设计中，没有一个能实现的。

人们从这类经验中逐渐认识到，能量是不能无中生有的，自生自灭的。

第一类永动机是不可能制成的，这就是能量守恒原理。

到了1840年，由焦耳和迈尔作了大量试验，测量了热和功转换过程中，消耗多少功会得到多少热，证明了热和机械功的转换具有严格的不变的当量关系。

想得到1J的机械功，一定要消耗0.239卡热，得到1卡热，一定要消耗4.184J的功，这就是著名的热功当量。

1cal = 4.1840J热功当量的测定试验，给能量守恒原理提供了科学依据，使这一原理得到了更为普遍的承认，牢牢的确立起来。

至今，无论是微观世界中物质的运动，还是宏观世界中的物质变化都无一例外的符合能量守恒原理。

把这一原理运用到宏观的热力学体系，就形成了热力学第一定律。

2．热力学第二定律能量守恒和转化定律就是热力学第一定律，或者说热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的表现。

它指明热是物质运动的一种形式，物质系统从外界吸收的热量等于这个能的增加量和它对外所作的功的总和。

也就是说想制造一种不消耗任何能量就能永远作功的机器，即“第一种永动机”，是不可能的。

人们继续研究热机效率问题，试图从单一热源吸取能量去制作会永远作功的机器，这种机器并不违背能量守恒定律，只需将热源降温而利用其能量推动机器不断运转。

这种机器就是“第二类永动机”。

然而这种机器屡遭失败，不能成功，这就需要从理论上进一步探索。

前面说过，卡诺已经接近发现了热力学第一定律和热力学第二定律，但他受热质说的影响，不能把它们表述出来。

1850年，德国物理学家克劳胥斯在研究卡诺理论的基础上，提出“一个自行动作的机器，不可能把热从低温物体传到高温物体中去”。

这就是热力学第二定律的“克劳胥斯表述”。

1851年，英国物理学家威廉·汤姆生，即凯尔文勋爵也独立地从卡诺的工作中发现了热力学第二定律。

汤姆生，1824年生于英国贝尔发斯特城。

父亲是皇家学院的数学教授，治学勤奋，对子女要求也很严格，1832年被聘到母校格拉斯哥大学任教，全家也迁往该城。

当这位新来的教授开始上第一堂课时，同学们发现教室多了两个漂亮的小男孩，也在津津有味地听着，他们就是8岁的汤姆生和他10岁的哥哥。

汤姆生10岁时，和哥哥正式进格拉斯哥大学预科学习，这可能是当时最小的大学生。

汤姆生天资聪明，学习勤奋，表现出杰出的才能。

15岁，他获得学校的物理学奖，第二年获天文学奖。

17岁时，他在剑桥大学的数学杂志上发表了一篇论文，名震全校。

此后几年中，汤姆生发表了一连串的研究论文，内容包括数学、热力学和电学。

1846年，年仅22岁的汤姆生击败30多位教师候选人，获得了格拉斯哥大学的教授职位。

1847年6月，焦耳在牛津大学举行的学术会议上，阐明机械能可以定量地转化为热能，各种形式的能都可以相互转化。

汤姆生出席了这次会议，他也是传统的热质说的拥护者，认为能量不可能转化，准备反驳焦耳的观点。

当焦耳用实验证明自己的观点后，汤姆生逐渐明白焦耳学说里包含的真理。

汤姆生改变初衷，不但不反驳，而且在会后和焦耳亲切地交谈起来，大有相见恨晚之意。

克劳塞在汤姆生传记中写道：“说来也怪有趣的，就是汤姆生在年青时就碰到了两个大名鼎鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来却只同其中之一的焦耳，成了最投机的同志。

”当时，汤姆生正在电磁理论边缘徘徊，和焦耳的一席交谈，使他把注意力转向了热力学研究，从而在物理学的另一个领域大放光彩。

1848年，汤姆生创立了绝对温标。

这种温标以—273℃作为0°，用于热力学计算，故称热力学温标。

现在公认的绝对0°是—273.15℃。

因为威廉·汤姆生在1892年被封为凯尔文勋爵，所以他创立的温标被称为开氏温标，简称K（因为凯尔文又译为开耳芬）。

1815年，汤姆生提出了一条新的普通原理：不可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。

这就是热力学第二定律的凯尔文表述。

凯尔文表述揭示了热运动的自然过程是不可逆的，制造第二种永动机也是不可能的。

1852年，汤姆生和焦耳合作，发现了著名的汤姆生——焦耳效应：气体从高气压的空间经过多孔性物质流向低气压空间时，温度要降低，但氢气除外。

这个效应被广泛地用于获得低温的技术上。

1853年，汤姆生对能量守恒和转化定律做了完整的表述。

汤姆生还把热力学第一定律和热力学第二定律具体应用到热学、电学和弹性现象等方面，对热力学的发展起了很大作用。

热力学第二定律后来被归纳为三种表述形式：1.热量总是从高温物体自动传到低温物体，不能作相反传递而不带来其他变化。

2.功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所受的热量转变为功，人们无法制造第二种永动机。

3.在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵值增加，所以热力学第二定律又称“熵增加原理”。

3．热力学第三定律是否存在降低温度的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。

他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的压力将等于零。

根据他的计算，这个温度即后来提出的摄氏温标约为-239°C，后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为-270.3°C。

他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。

他们的这个看法没有得到人们的重视。

直到盖-吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认。

1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限的。

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：“当绝对温度赵于零时，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，能斯特又这一规律表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。

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个图。

而是鼓励人们想方高法尽可能接近绝对零度。

目前使用绝热去磁的方法已达到10 6K，但永远达不到0K。

永动机和热力学基本定律在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。

在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。

直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。

热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，它指明：热是物质运动的一种形式。

这说明外界传给物质系统的能量（热量），等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。

它否认了能量的无中生有，所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。

热力学第一定律的产生是这样的：在18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。

于是，热力学应运而生。

1798年，汤普生通过实验否定了热质的存在。

德国医生、物理学家迈尔在1841?843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。

焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。

在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。

这时，又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。

这被称为第二类永动机。

1824年，法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。

通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环（即卡诺循环）的研究，得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决与热源的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100%。

即热量不能完全转化为功。

1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。

不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。

这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。

奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。

在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。

但在这之后，克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。

这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移，此即“热寂论”。

为了批驳“热寂论”，麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵（麦克斯韦妖），它处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。

这样，一段时间后，盒子两边产生温差。

麦克斯韦妖其实就是耗散结构的一个雏形。

1877年，玻尔兹曼发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系S=KlnQ，其中 K为玻尔兹曼常数。

1906年，能斯特提出当温度趋近于绝对零度T→0时，△S / O = 0 ，即“能斯特热原理”。

普朗克在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出，各种物质的完美晶体，在绝对零度时，熵为零（S 0 = 0 ），这就是热力学第三定律。

热力学三定律统称为热力学基本定律，从此，热力学的基础基本得以完备。

永动机是什么在一永久磁铁的上面有一电磁线圈，那么电磁线圈用定量的功所产生的势能与永久磁铁的磁力大小成正比。

永动机是指违反热力学基本定律的不能实现的发动机。

不消耗能量而能永远对外做功的机器，它违反了热力学第一定律，故称为“第一类永动机”。