《大学物理》课程论文

热力学基础

摘要：

热力学第一定律其实是包括热现象在内的能量转换与守恒定律。热力学第二定律则是指明过程进行的方向与条件的另一基本定律。热力学所研究的物质宏观性质，特别是气体的性质，经过气体动理论的分析，才能了解其基本性质。气体动理论，经过热力学的研究而得到验证。两者相互补充，不可偏废。人们同时发现，热力学过程包括自发过程和非自发过程，都有明显的单方向性，都是不可逆过程。但从理想的可逆过程入手，引进熵的概念后，就可以从熵的变化来说明实际过程的不可逆性。因此，在热力学中，熵是一个十分重要的概念。 关键词：

（1）热力学第一定律（2）卡诺循环（3）热力学第二定律（4）熵

正文：

在一般情况下，当系统状态变化时，作功与传递热量往往是同时存在的。如果有一个系统，外界对它传递的热量为Q，系统从内能为E1

的初始平衡状态改变到内能为E2的终末平衡状态，同时系统对外做功为A,那么，不论过程如何，总有：

Q= E2—E1+A

上式就是热力学第一定律。意义是：外界对系统传递的热量，一部分

是系统的内能增加，另一部分是用于系统对外做功。不难看出，热力学第一定律气其实是包括热量在内的能量守恒定律。它还指出，作功必须有能量转换而来，很显然第一类永动机违反了热力学第一定律，所以它根本不可能造成的。

物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程称为循环过程，或简称循环。经历一个循环，回到初始状态时，内能没有改变，这是循环过程的重要特征。卡诺循环就是在两个温度恒定的热源（一个高温热源，一个低温热源）之间工作的循环过程。在完成一个循环后，气体的内能回到原值不变。卡诺循环还有以下特征：

① 要完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热源：

② 卡诺循环的效率只与两个热源的温度有关，高温热源的温度越高，低温热源的温度越低，卡诺循环效率越大，也就

是说当两热源的温度差越大，从高温热源所吸取的热量Q1

的利用价值越大。

③ 卡诺循环的效率总是小于1的（除非T2 =0K）。

那么热机的效率能不能达到100％呢？如果不可能到达100％，最大可能效率又是多少呢？有关这些问题的研究就促进了热力学第二定律的建立。

第一类永动机失败后，人们就设想有没有这种热机：它只从一个热源吸取热量，并使之全部转变为功，它不需要冷源，也没有释放热量。这种热机叫做第二类永动机。经过无数的尝试证明，第二类永动

机同样式一种幻想，也是不可能实现的。就上面介绍的卡诺循环，它也是个理想循环，工作物质从高温热源吸取热量后，经过卡诺循环，总是向低温热源放出一部分的热量，才能回复到初始状态，所以说卡诺循环的效率不可能达到1。

热力学第二定律开尔文叙述是这样的：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全都变为有用的功，而不产生其他影响。从文字上看，热力学第二定律开尔文叙述反映了热功转换的一种特殊规律。1850年，克劳修斯在大量实验的基础上提出了热力学第二定律的另外一种说法：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。要是热量从低温物体传向高温物体，靠自发是不可能的，必须依靠外力作功。克劳修斯的叙述正是反映了热量传递的这种特殊规律。热力学第二定律的两种描述是等价的。

根据热力学第二定律，我们论证了一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。当给定系统处于非平衡状态时，总要发生从非平衡态向平衡态的自发性过渡;反之当系统处于平衡态时,系统却不可能从平衡态向非平衡态过渡。所以我们希望找到一个与平衡状态有关的状态函数，根据这个状态函数单向变化的性质来判断实际过程进行的方向。我们把这个状态函数叫做熵，以S表示。在一个可逆绝热循环中，系统的熵变等于零。但在封闭系统中发生的任何不可逆过程，都导致了整个系统的熵的增加，系统的熵只有在可逆过程中才是不变的。这个普遍结论叫做熵增加原理。如果把系统和外界作为整个封闭系统考虑，则系统的总熵是不可能减少的。在可逆过程的情况下，总

熵保持不变，而在不可逆过程的情况下，总熵一定增加。因此，我们可以根据总熵的变化判断实际过程进行的方向和限度。也是基于这个原因，我们把熵增加原理看作是热力学第二定律的另一种叙述形式。 参考文献：

①程守珠，江之永． 《普通物理学》 高等教育出版社

②沈维道，郑佩芝，蒋淡安． 《工程热力学》 高等教育出版社，

第二篇：大学物理下热力学小论文

第一类永动机不可能制造吗？

要说第一类永动机，我们就不能不提到热力学第一定律，即能量守恒定律。热力学第一定律可表述为：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中，能量的总量不变。其数学描述为：Q=△E+W，其中的Q和W分别表示在状态变化过程中系统与外界交换的热量以及系统对外界所做的功，△E表示能量的增量。

接下来让我们看一下第一类永动机的定义，即某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或作功，这叫“第一类永动机”，这种机器不需要外界提供能量,却可以源源不断的对外做功。显然，第一类永动机违反热力学第一定律，因此热力学第一定律有可以表述为：不可能制造出第一类永永动机。

      任何定律从提出开始就会受到人们不断的质疑和挑战。所以从热力学第一定律提出之后，人们提出了种种第一类永动机的设计方案。以下我们分析一下几种第一类永动机的设计方案。

（1）奥恩库尔的永动机

据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆。他设想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些,就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。

分析：设想该机器置于真空当中，即运行时不受到空气阻力，但我们知道轮轴与转盘的接触面不可能绝对光滑，运行时势必会产生摩擦阻力，此时机械能转化成摩擦热能，机器将会慢慢停止。此方案不可行。

（2）滚珠永动机

    滚珠永动机是利用格板的特殊形状，使一边重球滚到比另一边的距离轮心远些的地方。设计者本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。

分析：我们先忽略其实践结果。滚珠式永动机的设计原理与奥恩库尔的永动机是相同的，都利用了轮新左右两边力矩不相等使轮轴不断转动。该设想也同样无法解决摩察阻力的问题，且在运转时，可能会出现一个正好使得轴心左右两端力矩相等的位置，这是如果轮轴的角速度正好为零，则机器停止转动。该设计不论从原理上或实践中都是失败的。

（3）软臂永动机

       1570年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚下去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。

分析：软臂永动机的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，力却增大了，转轮只能停止在原地。

（4）阿基米德螺旋永动机

把水从蓄水池里汲到上面的水槽里，让它冲击水轮使之转动，轮子在带动水磨的同时，又通过一组齿轮带动螺旋汲水器把水重新提到水槽里去。这样，整台机械就可以永不停息地运转下去。

可行性分析：这样的设计当然也必然以失败告终。因为即使没有摩擦力，从水槽中流下的水的冲力,也不足以既带动水磨工作,又带动汲水器把全部流下的水重新汲回到原来的高度。

（5）浮力型永动机

    利用球的重力使球串向下并接触水面，进而利用水的浮力上升，推动轮子转动。

    可行性分析：浮力控制，出口的的坡度控制（影响求脱离管子落到轴轮上的速度）都很难精确地实现。运转过程中只要有水漏出，下一个球将无法从管道中落下，且随着轴轮转动时间增长，摩擦阻力增大，轴将停止转动。                     

    认为以上各设计方案都很巧妙，充分利用了大自然中本来就存在的力，如磁力，水的浮力以及力矩作用。当然，近年来也有人提出了可以利用万有引力提供远远不断力的来源，或者可以利用电磁力实现永动。但我们不能忽视一个在所有设想方案中都存在的问题---器械间的摩擦阻力。在实现器械间零摩擦前，不可能制造出第一类永动机。所以解决摩擦问题是关键，近年来提出利用超导体来实现无摩擦。我们知道，温度越低，超导的效果越好，当无限接近绝对零度时，也许可以彻底消除摩擦。但由热力学第三定律，绝对零度不可能达到。以当前的科学技术，实验室温度最多达到一百多开尔文。就当今科学技术发展而言我认为第一类永动机不可能制造出来。

    不过，科技在不断发展，随着一个个定律被推翻，也许，第一类永动机会被成功制造。