熱力學第一定律和熱力學第二定律教學

武和全 謝文洪

摘 要 詳細介紹了熱力學第一定律、熱力學第二定律的產(chǎn)生和發(fā)展情況以及它們之間的相互聯(lián)系。對教學過程中進一步理解熱力學的相關知識起到了很好的促進作用，提高了教學質(zhì)量。

關鍵詞 熱力學第一定律 熱力學第一定律 卡諾定理

中圖分類號：G424文獻標識碼：A ??DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.04.039

Teaching of the First Law of Thermodynamics and

the Second Law of Thermodynamics

WU Hequan， XIE Wenhong

（College of Automative and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410114）

Abstract Details of the emergence and development of the first law of thermodynamics， the second law of thermodynamics and the linkages between them. Further understanding of the process of teaching the knowledge of thermodynamics has played a good role in promoting， improving the quality of teaching.

Key words First Law of Thermodynamics; Second Law of Thermodynamics; Carnot theorem

0 引言

“工程熱力學及傳熱學”課程是主要研究熱能與機械能互相轉換以及熱量傳遞規(guī)律的一門學科。“工程熱力學及傳熱學”圍繞能量轉換與傳遞這一主線，是對工程熱力學及傳熱學兩個研究方向的綜合。其特點是涉及內(nèi)容廣，知識點多，主要包括熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力過程計算、傳熱學的基本概念、換熱器熱計算等。它在社會生活中的應用是非常廣泛的，在很多領域包括現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸和國防建設等。雖然熱機發(fā)展一百多年，已經(jīng)非常完善，很多熱力學理論已經(jīng)在實踐中得到了應用。但是在面對如今國際社會能源短缺、環(huán)境污染等問題中，推進熱力學的研究，提高能源的利用效率是解決這些問題的一個關鍵。而熱力學第一和第二定律是熱力學基礎，學好并掌握這些基本理論，才能更好地研究熱能傳遞和轉換的規(guī)律并把它轉化成實際成果應用到社會生產(chǎn)生活之中。

1 熱力學第一定律概述

熱力學第一定律實質(zhì)是能量守恒定律在熱現(xiàn)象上的應用。能量守恒定律可以表示為：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有多種不同的表現(xiàn)形式，可以從一種形式轉化為另外一種形式，也可以從一個物體傳遞給另外的物體，在轉化和傳遞過程能量保持不變。熱力學第一定律則可以表述為：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?當一定量的熱消失時，必產(chǎn)生等量的功;消耗一定量的功時，必產(chǎn)生與之相應數(shù)量的熱。表達式為： = △+。熱力學第一定律否認了能量的無中生有，正因為如此那種不需要任何動力和燃料就能持續(xù)做功的第一類永動機只能是幻想。

能量轉換與守恒定律首先是從力學中以“活力守恒”的形式提出來的。系統(tǒng)吸熱，內(nèi)能應增加;外界對系統(tǒng)做功，內(nèi)能也增加。若系統(tǒng)既吸熱，外界又對系統(tǒng)做功，則內(nèi)能增加等于這兩者之和。熱力學第一定律就是能量轉化和守恒定律。十九世紀中期，在長期生產(chǎn)實踐和大量科學實驗的基礎上，它才以科學定律的形式被確立起來。著名物理學笛卡爾在1644年就提出了“運動守恒”的概念，隨后德國數(shù)學家萊布尼茲引入了“活力”的概念，意大利物理學家伽利略研究斜面問題和擺的運動，斯蒂芬研究杠桿定理。伯努利的流體運動方程實際上就是流體運動中的機械能守恒定律，1834年愛爾蘭物理學家哈密頓發(fā)表論文《論動力學的普遍方法》，提出了哈密頓原理。至此能量守恒定律及其應用已經(jīng)成為力學中的基本內(nèi)容，為能量守恒定律的建立準備了條件。1841～1843年，德國科學家邁克爾和英文物理學家焦耳提出了熱能與機械能相互轉換的觀點，為熱力學第一定律的建立奠定了基礎。

熱力學第一定律的確立，突破了人們關于物質(zhì)運動的機械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種物質(zhì)運動形式之間相互轉換的可能性，說明運動形式相互轉換的能力也是不滅的，是物質(zhì)本身固有的。

2 熱力學第二定律

熱力學第一定律說明了熱能是可以轉換的，可以由熱能轉換成機械能，也可以由機械能轉換成熱能，而且能量不會消失。但是如果僅僅只是這樣，那有很多現(xiàn)象是解釋不了的。比如一輛小車給它一定動能，讓它在路上行駛，走了一段路程后，由于小車和路面有摩擦，小車速度逐漸減小，最后停止。原來的動能全部轉化為摩擦產(chǎn)生的熱能，然而反過來，這些熱能能還給小車，再重新讓它動起來嗎？再比如一個燒紅了的鍛件，放在空氣中便會慢慢冷卻。顯然，熱能從鍛件散發(fā)到周圍環(huán)境中了;周圍環(huán)境獲得的能量等于鍛件放出的熱量。反過來，這個已經(jīng)冷卻了的鍛件能從周圍環(huán)境中收回那部分散失的熱量，重新赤熱起來嗎？這樣的過程都不違反熱力學第一定律。然而，經(jīng)驗告訴我們，這是不可能的。

所以在熱能轉換為機械能這一問題中，除了要遵循熱力學第一定律，還要滿足其它約束條件。這就是熱力學第二定律的研究內(nèi)容。熱力學第二定律的實質(zhì)就是指出了一切自然過程的不可逆性，也就是說自然界中的過程具有方向性。過程總是自發(fā)地朝著一定的方向進行。機械能總是自發(fā)地轉變?yōu)闊崮?熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體等等。這些自發(fā)過程的反向過程（稱為非自發(fā)過程）是不會自發(fā)進行的。這種不可逆的過程可以用熵來描述。自然界的一切自發(fā)過程都是朝著熵增大的方向進行的。只有可逆過程，系統(tǒng)的熵保持不變。這就是熵增原理，這是熱力學第二定律的其中一種表述方式。

在熱力學第二定律告訴我們能量轉化具有方向性。即機械能可以百分之百的轉化為熱能，但熱能轉化為機械能的效率不可能達到百分之百。那么熱機的效率最高能達到多少呢？1824年，法國工程師卡諾提出了一種熱效率最高的循環(huán)——卡諾循環(huán)。它包括兩個等溫過程和兩個絕熱過程。如果把高溫熱源的溫度記為，低溫熱源的溫度記為，通過熱力學計算可以得到卡諾循環(huán)的熱效率表達式 = /。當高溫熱源的溫度足夠高，而低溫熱源的溫度足夠低的時候，卡諾循環(huán)的熱效率理論上可以無限的接近1，因此可以說卡諾循環(huán)的熱效率最高。從中可以得出以下結論：（1）卡諾循環(huán)的熱效率只決定于高溫熱源和低溫熱源的溫度，也就是工質(zhì)吸熱和放熱時的溫度;（2）增大，減少，可以提高卡諾循環(huán)的熱效率;（3）卡諾循環(huán)的熱效率只能小于1，不能可能等于1。因高溫熱源的溫度不能等于無窮大，低溫熱源的溫度也不可能等于零。這就表明熱能不可能全部轉變?yōu)闄C械能;（4）當 = 時，卡諾循環(huán)的熱效率為零。這表明，在沒有溫差存在的熱力系統(tǒng)中，熱能不可能轉變?yōu)闄C械能。或者說，單熱源的熱機，即第二類永動機是不可能造成的。

在卡諾定理的基礎上，人們總結出了熱力學第二定律的兩種主要表述方式。克勞修斯說法：熱量不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。開爾文說法：不可能從單一熱源取熱使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其它任何他影響。它們都說明了自發(fā)過程的不可逆性，可以證明這兩種表述方式是等價的。那種設想把海洋或空氣當作單一熱源，從中吸收熱量并完全轉化為有用功的第二類永動機是不可能實現(xiàn)的。

熱力學第二定律的意義實際已經(jīng)遠遠超出了熱機熱效率的范疇，它指出了自然過程進行的方向性，說明了能量品質(zhì)的高低。

3 結語

熱力學第一定律和熱力學第二定律是人們在日常社會生產(chǎn)實踐中總結出來的普遍規(guī)律，它們被許多實驗和具體實踐證明是正確的。熱力學第一定律和熱力學第二定律的建立，奠定了工程熱力學與傳熱學的理論基礎，也徹底推翻了永動機的幻想。大學生在學習熱力學第一定律和熱力學第二定律時應該理解它的內(nèi)容，實質(zhì)，掌握它的重點和難點。了解熱力學第一定律和熱力學第二定律的發(fā)展過程，要學會自我歸納總結，做到獨立思考。教師應該把精力放在提高熱力學第一定律和熱力學第二定律的教學深度以及加強實踐應用上。熱力學第一定律和熱力學第二定律是自然界的普遍法則，蘊含了大道理，驗證了辯證唯物主義思想，所以教師應該把事物發(fā)展的科學道理在這一章充分展現(xiàn)出來。熱力學第一定律和熱力學第二定律是“工程熱力學及傳熱學”課程的重要內(nèi)容，也是理工科學生必須掌握的基本知識，因此對它們進行深入研究有利于提高課程的教學質(zhì)量。相信對熱力學第一定律和熱力學第二定律的研究一定會推動社會的進一步發(fā)展。

基金項目：長沙理工大學教改課題項目

參考文獻

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