熱力學(xué)的定義與內(nèi)容是什么？

熱力學(xué)

熱力學(xué)是熱學(xué)理論的一個方面。熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律。

熱力學(xué)是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。

熱力學(xué)三定律是熱力學(xué)的基本理論。熱力學(xué)第一定律反映了能量守恒和轉(zhuǎn)換時應(yīng)該遵從的關(guān)系，它引進(jìn)了系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)——內(nèi)能。熱力學(xué)第一定律也可以表述為：第一類永動機(jī)是不可能造成的。

熱學(xué)中一個重要的基本現(xiàn)象是趨向平衡態(tài)，這是一個不可逆過程。例如使溫度不同的兩個物體接觸，最后到達(dá)平衡態(tài)，兩物體便有相同的溫度。但其逆過程，即具有相同溫度的兩個物體，不會自行回到溫度不同的狀態(tài)。

這說明，不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)間，存在著某種物理性質(zhì)上的差異，終態(tài)比初態(tài)具有某種優(yōu)勢。1854年克勞修斯引進(jìn)一個函數(shù)來描述這兩個狀態(tài)的差別，1865年他給此函數(shù)定名為熵。

1850年，克勞修斯在總結(jié)了這類現(xiàn)象后指出：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，這就是熱力學(xué)第二定律的克氏表述。幾乎同時，開爾文以不同的方式表述了熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。

用熵的概念來表述熱力學(xué)第二定律就是：在封閉系統(tǒng)中，熱現(xiàn)象宏觀過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行，當(dāng)熵到達(dá)最大值時，系統(tǒng)到達(dá)平衡態(tài)。第二定律的數(shù)學(xué)表述是對過程方向性的簡明表述。

1912年能斯脫提出一個關(guān)于低溫現(xiàn)象的定律：用任何方法都不能使系統(tǒng)到達(dá)絕對零度。此定律稱為熱力學(xué)第三定律。

熱力學(xué)的這些基本定律是以大量實驗事實為根據(jù)建立起來的，在此基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了三個基本狀態(tài)函數(shù)：溫度、內(nèi)能、熵，共同構(gòu)成了一個完整的熱力學(xué)理論體系。此后，為了在各種不同條件下討論系統(tǒng)狀態(tài)的熱力學(xué)特性，又引進(jìn)了一些輔助的狀態(tài)函數(shù)，如焓、亥姆霍茲函數(shù)(自由能)、吉布斯函數(shù)等。這會帶來運算上的方便，并增加對熱力學(xué)狀態(tài)某些特性的了解。

從熱力學(xué)的基本定律出發(fā)，應(yīng)用這些狀態(tài)函數(shù)，利用數(shù)學(xué)推演得到系統(tǒng)平衡態(tài)各種特性的相互聯(lián)系，是熱力學(xué)方法的基本內(nèi)容。

熱力學(xué)理論是普遍性的理論，對一切物質(zhì)都適用，這是它的優(yōu)點，但它不能對某種特殊物質(zhì)的具體性質(zhì)作出推論。例如討論理想氣體時，需要給出理想氣體的狀態(tài)方程；討論電磁物質(zhì)時，需要補(bǔ)充電磁物質(zhì)的極化強(qiáng)度和場強(qiáng)的關(guān)系等。這樣才能從熱力學(xué)的一般關(guān)系中，得出某種特定物質(zhì)的具體知識。

平衡態(tài)熱力學(xué)的理論已很完善，并有廣泛的應(yīng)用。但在自然界中，處于非平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)(物理的、化學(xué)的、生物的)和不可逆的熱力學(xué)過程是大量存在的。因此，這方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的進(jìn)展。

目前，研究非平衡態(tài)熱力學(xué)的一種理論是在一定條件下，把非平衡態(tài)看成是數(shù)目眾多的局域平衡態(tài)的組合，借助原有的平衡態(tài)的概念描述非平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)。并且根據(jù)“流”和“力”的函數(shù)關(guān)系，將非平衡態(tài)熱力學(xué)劃分為近平衡區(qū)(線性區(qū))和遠(yuǎn)離平衡區(qū)(非線性區(qū))熱力學(xué)。這種理論稱為廣義熱力學(xué)，另一種研究非平衡態(tài)熱力學(xué)的理論是理性熱力學(xué)。它是以熱力學(xué)第二定律為前提，從一些公理出發(fā)，在連續(xù)媒質(zhì)力學(xué)中加進(jìn)熱力學(xué)概念而建立起來的理論。它對某些具體問題加以論證，在特殊的彈性物質(zhì)的應(yīng)用中取得了一定成果。

非平衡態(tài)熱力學(xué)領(lǐng)域提供了對不可逆過程宏觀描述的一般綱要。對非平衡態(tài)熱力學(xué)或者說對不可逆過程熱力學(xué)的研究，涉及廣泛存在于自然界中的重要現(xiàn)象，是正在探討的一個領(lǐng)域。如平衡態(tài)的熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的關(guān)系一樣，從微觀運動的角度研究非平衡態(tài)現(xiàn)象的理論是非平衡態(tài)統(tǒng)計力學(xué)。

選自：《物理學(xué)簡史》