物理学习指南/热力学

介绍

热力学处理热量的运动及其转化为机械能和电能等。

热力学定律

第一定律

第一定律是能量守恒定律的表述。

$\Delta U=Q-W$

第一定律可以表示为系统内能的变化 ($\Delta U$) 等于添加到系统的能量 (Q)，例如热量，减去系统对周围环境所做的功 (W)。

如果 Q 为正，则系统已获得能量（通过加热）。

如果 W 为正，则系统已损失能量，因为它对周围环境做了功。

如所写，这些方程存在问题，因为 Q 或 W 都不是状态函数，或者是在不了解系统历史的情况下无法通过直接测量来确定的量。

在气体中，第一定律可以用状态函数表示为

$dU=Tds-pdV$

第零定律

在第一定律被命名之后，物理学家意识到还有一个更基本的定律，他们称之为“第零定律”。

这是：

如果两个物体处于相同的温度，它们之间就不会有热量流动。

“第零定律”的另一种形式可以描述为

如果两个物体与第三个物体处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。

这个第二个说法反过来又导致了温度 (T) 的定义：

温度是两个处于热平衡状态但彼此不同的物体之间唯一的相同的东西。

第二定律

该定律指出，热量永远不会从冷物体流向热物体。

$S=k_{B}\cdot ln(\Omega )$

其中 $k_{B}$ 是玻尔兹曼常数 ($k_{B}=1.380658\cdot 10^{-23}{\mbox{ kg m}}^{2}{\mbox{ s}}^{-2}{\mbox{ K}}^{-1}$) 和 $\Omega$ 是配分函数，即系统中所有可能状态的数量。

这是熵的统计定义，也存在“宏观”定义

$S=\int {\frac {\mathrm {d} Q}{T}}$

其中，T 代表温度，dQ 代表系统能量的增量。

热力学第三定律

第三定律指出，绝对零度无法达到。

温度尺度

有多种不同的尺度用于测量温度。在物理学中，您最常遇到的尺度是摄氏度和开尔文。

摄氏温度使用符号Θ。摄氏度的符号是°C。开尔文温度使用符号T。开尔文的符号是K。

摄氏温标

摄氏温标以水的熔点和沸点为基础。

水的冰点为0 °C。这称为冰点。

水的沸点为100 °C。这称为沸点。

摄氏温标有时也被称为“百分温标”，但国际计量大会（CGPM）早在1948年就从当时使用的三种名称中选择了摄氏度，因此“百分”和“百分温标”不再使用。更多详情请参见维基百科。

开尔文温标

开尔文温标基于比冰的熔点更基本的温度。这是绝对零度（相当于 −273.15 °C），任何物体可以冷却到的最低温度——任何系统的动能都处于最小值。开尔文温标是根据气体样本的压力和体积随温度变化的观察而制定的——PV/T是一个常数。如果温度 (T) 降低，则气体体积 (V) 所施加的压力 (P) 也会按比例降低。这是一个简单的实验，可以在大多数学校实验室进行。假设气体在-273摄氏度时不施加压力。（实际上，所有气体都会在略高的温度下凝结成液体或固体。）

虽然开尔文温标的起点与摄氏温标不同，但其单位大小完全相同。

因此

开尔文温度 (K) = 摄氏温度 (°C) + 273.15

比潜热

当物质发生状态变化时，需要能量来断裂键。这种能量有时被称为潜热。在状态变化过程中，温度保持恒定。

要计算状态变化所需的能量，可以使用以下公式

传递的热量，ΔQ (J) = 质量，m (kg) x 比潜热，L (J/kg)

比潜热L是使1 kg物质在不改变温度的情况下发生状态变化所需的能量。

熔化潜热是指熔化。汽化潜热是指沸腾。

比热容

比热容是指使一定质量的物质升高一定温度所需的能量。

被加热或冷却的物质的温度变化取决于物质的质量以及输入的能量。但是，它也取决于该物质的特性。这种对温度变化的影响由物质的比热容 (c) 表达。在国际单位制中，它的单位为 J/(kg·K)。

内能变化，ΔU (J) = 质量，m (kg) x 比热容，c (J/(kg·K)) x 温度变化，ΔT (K)