照日格圖

（呼和浩特民族學院 數學系，內蒙古 呼和浩特 010051）

熱力學是熱學理論的一個方面.熱力學主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質，它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律.熱力學是總結物質的宏觀現象而得到的熱學理論，不涉及物質的微觀結構和微觀粒子的相互作用.因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性.熱力學三定律是熱力學的基本理論.

1 熱力學第一定律

1.1 熱力學第一定律概述

能量守恒與轉換定律是自然界最普遍、最基本的規(guī)律之一.自然界中的一切物質都具有能力，能量有各種不同的形式，這種不同形式的能量都可以轉移（從一個物體傳遞到另一個物體），也可以相互轉換 (從一種能量形式轉變?yōu)榱硪环N能量形式)，但在轉移和轉換過程中，它們的總量保持不變.這一規(guī)律成為能量守恒與轉換定律.能量守恒與轉換定律應用在熱力學中，或者說應用在伴有熱效應的各種過程中，便是熱力學第一定律.熱力學第一定律是人類在實踐中積累的經驗總結，它的發(fā)現和建立，打破了人們企圖制造一種可以不消耗能量而能連續(xù)做功的永動機.因此，熱力學第一定律也可以表述為：第一類永動機是造不出來的[1].

其基本公式可以表述為公式（1），它表明向系統(tǒng)輸入的熱量Q，等于質量為m的流體流經系統(tǒng)前后焓H的增量、動能v的增量以及系統(tǒng)向外界輸出的機械功W之和.

1.2 熱力學第一定律形成史

1.2.1 羅伯特·邁爾

熱力學第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關系.德國物理學家、醫(yī)生邁爾發(fā)現體力和體熱來源于食物中所含的化學能，提出如果動物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒.他由此受到啟發(fā)，去探索熱和機械功的關系.1842年他發(fā)表了《論無機性質的力》的論文，表述了物理、化學過程中各種力（能）的轉化和守恒的思想.邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人.

1.2.2 焦耳

英國科學家焦耳(J.P.Joule，1818-1889)關于熱功當量的測定，為最終確立熱力學第一定律奠定了堅實的實驗基礎.1850年，焦耳在他的《論熱功當量》的論文中，已經將熱功當量值總結為：以水做實驗為773石4磅/卡(424千克米/千卡)，以水銀作實驗為776.30磅/卡(425.77千克米/千卡)，后來又經過一系列極為精確的實驗，焦耳又將J值確定為423.85千克米/千卡(4.153焦耳/卡)，這已和現代精確實驗極為接近了.他和邁爾分別從不同的方面和不同的途徑達到了對能量轉化與守恒的證明.

1.2.3 亥姆霍茲

德國物理學家亥姆霍茲從多方面論證了能量轉化與守恒定律，其中最主要的是從否定永動機的存在這一途徑來完成的.1842年，他在關于《力的守恒》的論文中，就論述了他的能量轉化與守恒的基本思想，論證了“活力”與“張力”之和是一個常數，稱之為“力的守恒原理”，并把這種“力”的保守性同永動機之不可能聯(lián)系起來.他的這一工作從理論上對能量守恒原理作出了重要概括.

2 熱力學第二定律

2.1 熱力學第二定律概述

熱力學第二定律有兩種表述，第一種是“不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化”，另一種為“不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓奔吹诙愑绖訖C是造不出來的[2].

其基本公式可以表述為公式（2），式中，對不可逆過程應取用不等號，δQ指系統(tǒng)實際過程熱，T指環(huán)境溫度，對可逆過程應取用等號，δQ指可逆過程熱，T為系統(tǒng)溫度.

2.2 熱力學第二定律形成史

十八、十九世紀，由于科學技術迅猛發(fā)展，蒸氣機在英國煤礦業(yè)得到了普遍的使用，這同時給物理學家提出了許多急待解決的理論問題，比如：熱現象的產生原理、提高熱機效率的方法、熱機效率上限的存在與否、永動機的存在與否等等.

正式提出熱力學第二定律的是英國物理學家湯姆遜·開爾文(WilliamThomson，1524-1907)和德國物理學家克勞修斯在研究熱現象的過程中，發(fā)現按能量守恒與轉化定律，于是開爾文提出了“不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓?，而不產生其它影響”.

而克勞修斯在提出熱力學第二定律的表述后，于1854年發(fā)表了題為“論熱的機械理論的第二定律的變化了的形式”論文，文中對熱力學第二定律又作了補充.至此，經過眾多物理學家的努力，熱力學第二定律才完整地建立起來.

3 熱力學第三定律

3.1 熱力學第三定律概述

20世紀初，人們通過對低溫下熱力學現象的研究，確定了物質熵值的零點，逐步建立起了熱力學第三定律，進而提出了規(guī)定“熵”的概念，為解決一系列的熱力學問題提供了極大的方便.熱力學第三定律可以準確簡潔地表述為：0K時，任何完美晶體的熵值為0.也可以表達為，絕對零度不能達到[3].

其公式可以按照公式（3）來表示，說明ΔG和ΔH隨著T變化，而當T趨向于0時，ΔG和ΔH近似相等.

3.2 熱力學第三定律形成史

3.2.1 T·W·Richards

1902年，T·W·Richards研究了低溫下電池反應的△G、△H與溫度的關系，得出這樣一個結論：當溫度降低時，△G、△H逐漸趨于相等.Richards的研究為熱力學第三定律的提出提供了必要的理論和實驗基礎.

3.2.2 普朗克

1912年，德國人普朗克在能斯特的熱定理基礎上，進一步假設：0K時，純凝聚體系的熵值為零[4].3.2.3 路易斯和蘭德爾

1920年，Lewis和Gibson發(fā)現指出普朗克的假設S(0k)=0只適用于完美晶體.因為0K時一些物質可能有多種晶體形態(tài)，但其中只有完美晶體熵可能為零.普朗克、路易斯和蘭德爾對普朗克假設作了修正，得出如下說法：如果溫度為0k的每一種元素處于結晶狀態(tài)的熵值都為零，則一切物質的熵值都具有一定的正值，但溫度為0k時其熵值可變?yōu)榱悖瑢τ谕昝谰w來說確實如此.

至此，人們就建立起了比較完整、準確的熱力學第三定律.

4 結語

熱力學三個定律是無數經驗的總結，至今尚未發(fā)現熱力學理論與事實不符合的情形，因此它們具有高度的可靠性.熱力學理論對一切物質系統(tǒng)都適用，具有普遍性的優(yōu)點.這些理論是根據宏觀現象得出的，因此稱為宏觀理論，也叫唯象理論.

熱力學是熱學理論的一個方面.熱力學主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質，它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律.熱力學基本定律是人類在長期生產經驗和科學實驗的基礎上總結出來的，他們雖不能用其他理論方法加以證明，但由它們出發(fā)得出的熱力學關系及結論都與事實或經驗相符，這有力地說明了熱力學定律的正確性.縱觀熱力學定律的發(fā)展史，科學是一個集觀察、思考、實驗、總結、學習、于一體的事物，只有以謹慎的態(tài)度對待它，才會迎來科學事業(yè)的飛躍.

〔1〕魏蔚,吳建琴,馬曉棟.關于熱力學第一定律的講述 [J].新疆師范大學學報 (自然科學版),2011（04）:59-62.

〔2〕李復,高炳坤.熱力學第二定律理論體系的討論[J].大學物理,2000（04）:19-22.

〔3〕祁學永,畢言鋒.淺談熱力學第三定律的建立和規(guī)定熵的求算[J].山東教育學院學報,2003（06）:97-98+102.

〔4〕劉美希,詹業(yè)宏,王小涓.量子論與熱力學第三定律的發(fā)展[J].廣東工業(yè)大學學報,2001（02）:93-97.

〔5〕何宗強.對熱力學基本定律的論證[J].長沙水電師院學報(自然科學版),1986（02）:95-96.