人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律
物化——热力学四大定律发现者
• 热力学的四大定律简述如下： 热力学的四大定律简述如下： 四大定律简述如下 热力学第零定律——如果两个热力学系统 热力学第零定律 如果两个热力学系统 中的每一个都与第三个热力学系统处于热 平衡(温度相同 温度相同)， 平衡 温度相同 ，则它们彼此也必定处于热 平衡。 平衡。 热力学第一定律——能量守恒定律在热学 能量守恒定律在热学 热力学第一定律 形式的表现。 形式的表现。 热力学第二定律——力学能可全部转换成 力学能可全部转换成 热力学第二定律 热能， 热能， 但是热能却不能以有限次的实验操 热机不可得)。 作全部转换成功 (热机不可得 。 热机不可得 热力学第三定律——绝对零度不可达到但 热力学第三定律 绝对零度不可达到但 可以无限趋近
卡诺循环工作原理图
• 卡诺指出了热机工作过程中最本质的东西： 卡诺指出了热机工作过程中最本质的东西： 热机必须工作于两个热源之间， 热机必须工作于两个热源之间，才能将高 温热源的热量不断地转化为有用的机械功； 温热源的热量不断地转化为有用的机械功； 明确了“ 明确了“热的动力与用来实现动力的介质 无关， 无关，动力的量仅由最终影响热素传递的 物体之间的温度来确定”，指明了循环工 物体之间的温度来确定” 作热机的效率有一极限值， 作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺 循环工作的热机所产生的效率最高。 循环工作的热机所产生的效率最高。实际 上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律 的基本思想，但由于受到热质说的束缚， 的基本思想，但由于受到热质说的束缚， 使他当时未能完全探究到问题的底蕴。 使他当时未能完全探究到问题的底蕴。
• 卡诺出色地运用了理想模型的研究方 以他富于创造性的想象力， 法，以他富于创造性的想象力，精心 构思了理想化的热机——后称卡诺可 后称卡诺可 构思了理想化的热机 后称 逆热机（卡诺热机）， ），提出了作为热 逆热机（卡诺热机），提出了作为热 力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺 定理， 定理，从理论上解决了提高热机效率 的根本途径
人类最伟大的十个公式
人类最伟大的十个公式人类历史上涌现出了许多伟大的公式，这些公式不仅仅是数学和物理领域的杰作，也涉及到生物学、经济学、计算机科学等多个领域。
本文将介绍人类历史上最伟大的十个公式，并对其背后的原理和应用进行解析。
1. 相对论质能方程（E=mc²）相对论质能方程是爱因斯坦的相对论理论的核心公式。
它揭示了质量和能量之间的等价关系，即质量可以转化为能量。
这个公式不仅在物理学中发挥着重要作用，还被广泛应用于核能、粒子物理学和宇宙学等领域。
2. 量子力学波函数（Ψ）量子力学波函数是描述微观粒子行为的数学工具。
它包含了粒子的位置、动量和能量等信息，通过波函数的变化可以预测和解释微观世界中的现象。
波函数的研究推动了量子力学的发展，也为新材料、量子计算和量子通信等领域的应用提供了理论基础。
3. 熵增定律（ΔS≥0）熵增定律是热力学的基本原理之一。
它指出在孤立系统中，熵（系统的无序程度）总是增加或保持不变，而不会减少。
这个公式揭示了自然界中的一个普遍趋势，也为能源转化、热力学循环和热力学平衡等问题提供了指导。
4. 生物进化论（D=N/d）生物进化论是描述生物多样性和进化过程的理论框架。
其中的公式D=N/d表示物种多样性的度量，即物种数目N除以物种相对丰度的倒数d。
这个公式可以帮助我们理解生物多样性的分布规律、生态系统的稳定性和生物进化的机制。
5. 经济学供求曲线（P=D-S）经济学供求曲线是描述市场供需关系的重要工具。
其中的公式P=D-S表示价格P与需求D和供给S之间的关系。
这个公式可以帮助我们分析市场的平衡价格和数量，预测市场的动态变化，并指导经济政策的制定。
6. 计算机算法复杂度（O(n)）计算机算法复杂度是衡量算法性能的重要指标。
其中的公式O(n)表示算法的时间复杂度与问题规模n之间的关系。
这个公式可以帮助我们评估算法的效率，选择合适的算法解决问题，并优化计算机程序的性能。
7. 信息论熵（H(X)）信息论熵是衡量信息量的基本概念。
热力学四大定律
人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。
没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。
热力学的四大定律简述如下：热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。
热力学第二定律——力学能可全部转换成热能，但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功(热机不可得)。
热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限趋近。
法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）(左图)生于巴黎。
其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。
卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。
他独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律；1824年他发表了名著《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》（右图），书中写道：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作介质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作介质，也不论以什么方法来运转它们。
”卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机），提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。
卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。
热力学定律
热力学定律热力学，全称热动力学是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科；它着重研究物质的平衡状态以及与准平衡态的物理、化学过程。
热力学定义许多宏观的变量（像温度、内能、熵、压强等），描述各变量之间的关系。
热力学描述数量非常多的微观粒子的平均行为，其定律可以用统计力学推导而得。
热力学可以总结为四条定律。
热力学第零定律定义了温度这一物理量，指出了相互接触的两个系统，热流的方向。
热力学第一定律指出内能这一物理量的存在，并且与系统整体运动的动能和系统与环境相互作用的势能是不同的，区分出热与功的转换。
热力学第二定律涉及的物理量是温度和熵。
熵是研究不可逆过程引入的物理量，表征系统通过热力学过程向外界最多可以做多少热力学功。
热力学第三定律认为，不可能透过有限过程使系统冷却到绝对零度。
热力学可以应用在许多科学及工程的领域中，例如引擎、相变化、化学反应、输运现象甚至是黑洞。
热力学计算的结果不但对物理的其他领域很重要，对化学、化学工程、航太工程、机械工程、细胞生物学、生物医学工程及材料科学等科学技术领域也很重要，甚至也可以应用在经济学中。
热力学是从18世纪末期发展起来的理论，主要是研究功与热量之间的能量转换；在此功定义为力与位移的内积；而热则定义为在热力系统边界中，由温度之差所造成的能量传递。
两者都不是存在于热力系统内的性质，而是在热力过程中所产生的。
热力学的研究一开始是为了提升蒸汽引擎的效率，早期卡诺有许多的贡献，他认为若引擎效率提升，法国是有可能赢得拿破仑战争。
出生于爱尔兰的英国科学家开尔文在1854年首次提出了热力学明确的定义：“热力学是一门描述热和物体中各部份之间作用力的关系，以及描述热和电器之间关系的学科。
”一开始热力学研究关注在热机中工质（如蒸气）的热力学性质，后来延伸到化学过程中的能量转移，例如在1840年科学家盖斯提出，有关化学反应的能量转移的研究。
化学热力学中研究熵对化学反应的影响。
统计热力学也称为统计力学，利用根据微观粒子力学性质的统计学预测来解释宏观的热力学性质。
热力学四大定律
热力学四大定律：第零定律——若A与B热平衡，B与C热平衡时，A与C也同时热平衡第一定律——能量守恒定律(包含了热能)第二定律——机械能可全部转换成热能，但是热能却不能以有限次的试验操作全部转换成功(热能不能完全转化为功)第三定律——绝对零度不可达成性热力学定律的发现及理论化学反应不是一个孤立的变化过程，温度、压力、质量及催化剂都直接影响反应的方向和速度。
1901年，范霍夫因发现化学动力学定律和渗透压，提出了化学反应热力学动态平衡原理，获第一个化学奖。
1906年能斯特提出了热力学第三定律，认为通过任何有限个步骤都不可能达到绝对零度。
这个理论在生产实践中得到广泛应用，因此获1920年化学奖。
1931年翁萨格发表论文“不可逆过程的倒数关系”，阐明了关于不可逆反应过程中电压与热量之间的关系。
对热力学理论作出了突破性贡献。
这一重要发现放置了20年，后又重新被认识。
1968年获化学奖。
1950年代，普利戈金提出了著名的耗散结构理论。
1977年，他因此获化学奖。
这一理论是当代热力学理论发展上具有重要意义的大事。
它的影响涉及化学、物理、生物学等广泛领域，为我们理解生命过程等复杂现象提供了新的启示。
热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
这一结论称做“热力学第零定律”。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。
定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。
它为建立温度概念提供了实验基础。
这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。
热力学四大定律
热力学四大定律：第零定律——若A与B热平衡，B与C热平衡时，A与C也同时热平衡第一定律——能量守恒定律(包含了热能)第二定律——机械能可全部转换成热能，但是热能却不能以有限次的试验操作全部转换成功(热能不能完全转化为功)第三定律——绝对零度不可达成性热力学定律的发现及理论化学反应不是一个孤立的变化过程，温度、压力、质量及催化剂都直接影响反应的方向和速度。
1901年，范霍夫因发现化学动力学定律和渗透压，提出了化学反应热力学动态平衡原理，获第一个化学奖。
1906年能斯特提出了热力学第三定律，认为通过任何有限个步骤都不可能达到绝对零度。
这个理论在生产实践中得到广泛应用，因此获1920年化学奖。
1931年翁萨格发表论文“不可逆过程的倒数关系”，阐明了关于不可逆反应过程中电压与热量之间的关系。
对热力学理论作出了突破性贡献。
这一重要发现放置了20年，后又重新被认识。
1968年获化学奖。
1950年代，普利戈金提出了著名的耗散结构理论。
1977年，他因此获化学奖。
这一理论是当代热力学理论发展上具有重要意义的大事。
它的影响涉及化学、物理、生物学等广泛领域，为我们理解生命过程等复杂现象提供了新的启示。
热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
这一结论称做“热力学第零定律”。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。
定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。
它为建立温度概念提供了实验基础。
这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。
而温度相等是热平衡之必要的条件。
热力学中以热平衡概念为基础对温度作出定义的定律。
通常表述为：与第三个系统处于热平衡状态的两个系统之间，必定处于热平衡状态。
从四大定律角度对热力学学习的认识
从四大定律角度对热力学学习的认识从四大定律角度对热力学学习的认识2013级物理萃英班洪熹宇摘要：热力学是一门研究热运动的宏观理论，它与统计物理学的研究目的，都在于研究运动的规律，同时研究与热运动有关的物性，以及宏观物质系统的演化过程。
但是它与统计物理学的研究方法上有着很大的不同，统计物理学侧重于从微观角度分析和解决问题，而热学的基础则是建立在宏观的基础上。
它是一种唯象的宏观理论，具有较高的普适性和一般性。
本文由学生在热力学学习过程中，将自己的体会与知识相结合，从四大定律着手给出学生对于热力学研究意义的思考和认识。
关键词：热力学三大定律，热平衡定律，能量守恒，自由能，熵，绝对零度正文：一、热力学四大定律的发现与形式宏观角度看待问题的是经典的，因此热力学总是能给出一个条件给定系统的最终平衡状态的各个参数。
人们在对热力学研究的基础上，总结出了热力学的三大定律，加上热平衡定律，便构成了热力学最主要的四个结论。
首先，能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。
它指出，自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，这种不同形式的能量都可以转移（从一个物体传递到另一个物体），也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式)，但在转移和转换过程中，它们的总量保持不变。
这一规律成为能量守恒与转换定律。
能量守恒与转换定律应用在热力学中，或者说应用在伴有热效应的各种过程中，便是热力学第一定律。
历史上，焦耳在绝热过程中所做的两个实验，首先认识到外界对于系统所做的功，仅仅与系统的初态和末态是相关联的。
在此人们定义了一个内能的概念，它的意义是，系统在末态和初态的内能之差，等于在过程中外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和，这便是热力学第一定律的数学表达形式。
此外，在工程热力学上，热力学第一定律也可表述成“热是能的一种，机械能变热能或热能变机械能时，它们之间的比值是一定的”，或者“热可以变功，功可以变热。
热力学的四大定律
热力学的四大定律
热力学的四大定律是：
1. 热力学第一定律：也称为能量守恒定律，它表明能量在系统和周围环境之间的转换是永远不会消失或增加的。
换句话说，能量不能被创造或毁灭，只能在不同形式之间转化。
2. 热力学第二定律：它提供了有关能量转换的方向和可逆性的信息。
该定律指出，任何一种自然过程在不受外界干扰的情况下，总是自发进行。
它还表明，自然过程中存在着能量的不可逆转损失，称为熵增。
3. 热力学第三定律：它规定了热力学温度的下限。
根据第三定律，当系统的温度降至绝对零度（0 K）时，系统的熵将达到最小，不再发生任何变化。
这一定律非常重要，因为它指定了温度的实际零点。
4. 热力学零点定律：它是在19世纪末由瓦尔斯通哈特等人总结出来的。
该定律提供了测量物体温度的方法，并指出当两个物体达到热平衡时，它们的温度是相等的。
这个定律使我们能够使用温度计来测量物体的温度。
这些定律是热力学的基础，它们揭示了能量转化和热平衡的基本原理，为热力学的发展奠定了基础。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。
没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。
热力学的四大定律简述如下：
热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。
热力学第二定律——力学能可全部转换成热能，但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功(热机不可得)。
热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限趋近。