物理化学论文 热力学.doc

物理化学论文
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热力学定律论文
论文摘要:本论文就物理化学的热力学三大定律的具体内容展开思考、总结论述。同时,也就物理化学的热力学三大定律的生活、科技等方面的应用进行深入探讨。
正文:
一、热力学第一定律:
热力学第一定律就是宏观体系的能量守恒与转化定律。“IUPAC”推荐使用‘热力学能’,从深层次告诫人们不要再去没完没了的去探求内能是系统内部的什么东西”,中国物理大师严济慈早在1966年就已指出这点。第一定律是1842年前后根据焦耳等人进行的“功”和“热”的转换实验发现的。它表明物质的运动在量的方面保持不变,在质的方面可以相互转化。但是,没有多久,人们就发现能量守恒定律与1824年卡诺定理之间存在“矛盾”。能量守恒定律说明了功可以全部转变为热: 但卡诺定理却说热不能全部转变为功。1845年后的几年里,物理学证明能量守恒定律和卡诺定理都是正确的。那么问题出在哪呢?由此导致一门新的科学--热力学的出现。
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。
一般来说,自然界实际发生的热力学过程,往往同时存在两种相互作用,即系统与外界之间既通过做功交换能量,又通过传热交换能量。热力学第一定律表明:当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时,系统内能的增量等于在这个过程中外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的总和。或者说:系统在任一过程中所吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界所作的功之和。热力学第一定律表达了内能、热量和功三者之间的数量关系,它适用于自然界中在平衡态之间发生的任何过程。在应用时,只要求初态和终态是平衡的,至于变化过程中所经历的各个状态,则并不要求是平衡态好或无限接近于平衡态。因为内能是状态函数,内能的增量只由初态和终态唯一确定,所以不管经历怎样的过程,只要初、终两态固定,那么在这些过程中系统内能的增量、外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的之和必定都是相同的。热力学第一定律是能量转化和守恒定律在射击热现象的过程中的具体形式。因为它所说的状态是指系统的热力学状态,它所说的能量是指系统的内能。如果考察的是所有形式的能量(机械能、内能、电磁能等),热力学第一定律就推广为能量守恒定律。这个定律指出:自然界中各种不同形式的能量都能从一种形式转化为另一种形式,由一个系统传递给另一个系统,在转化和传递中总能量守恒。能量守恒定律是自然界中各种形态的运动相互转化时所遵从的普遍法则。自从它建立起来以后,直到今天,不但没有发现任何违反这一定律的事实,相反地,大量新的实践不断证明着这一定律的正确性,丰富着它所概括的内容。能量守恒定律的确立,是生产实践和科学实验长期发展的结果,在长期的实践中,人们很早以来就逐步形成了这样一个概念,即自然界的一切物质在运动和变化的过程中,存在着某种物理量,它在数量上始终保持恒定。能量守恒定律的实质,不仅在于说明了物质运动在量上的守恒,更重要的还在于它揭示了运动从一种形态向另一形态的质的转化,所以,只有当各种运动形式之间的相互转化,特别是机械运动和热运动之间的相互转化明确而广泛地被揭示出来时,能量守恒定律才会最终地被确立起来。
其中,当我们研究热力学第一定律时,还要提及的就是第一类永动机,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