高文竹　姜立偉

[摘 要]熱學是大學物理的一個重要分支，主要研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉變和能量轉換的規(guī)律，是熱能與動力工程、暖通空調、冶金以及工程物理等大學專業(yè)的理論基礎。熱力學改變了生產的方式，改變了人們的生活方式，改變了世界。人類生存環(huán)境的極度惡化也源于人類大規(guī)模地使用熱能。熱量的使用是人類自誕生以來永恒的主題，怎樣高效地運用熱能永遠是人類努力的方向。

[關鍵詞]熱量 定律 熱力學 改變世界

[中圖分類號] O414.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）05-0046-02

在各個版本的大學物理教材中，熱力學作為自然科學的一個重要分支，都在其中占有一席之地。眾所周知，物理學包括：力學、光學、聲學、熱力學、電磁學和核物理學。與其他分支一樣，熱力學也發(fā)展成了一門系統(tǒng)完整的科學。

自人類誕生以來，熱量在人們的生產生活中就起著支配性的作用。人們靠著太陽輻射或者動物的皮毛來取暖，在炎炎夏日又必須在樹蔭或者洞穴中躲避太陽的炙烤。當人類第一次掌握了火的用法，從自然界汲取熱量就變得簡單起來。人類從此結束了茹毛飲血的時代，開始享受熟食的美味和健康。人類根據(jù)不同時間太陽輻射地球的熱量，將一年自然地分成了春、夏、秋、冬四季，又將每一天的時間分為上午、中午、下午、黃昏等不同的時間段。植物有一個巨大的本領，就是利用太陽輻射的能量，將二氧化碳吸收后釋放出氧氣，于是整個地球開始熙熙攘攘，生機勃勃。由此可見，熱量的使用是人類自誕生以來永恒的主題，怎樣高效地利用熱能永遠是人類努力的方向。

一、熱力學三大定律

（一）熱力學第一定律

熱力系內物質的能量可以傳遞，其形式可以轉換，在轉換和傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變。這被稱為熱力學第一定律，它昭示了能量的永恒，不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅。在大自然的鐵律面前，人類是那么的無力和渺小。第一定律提出之前，全世界的科學家們孜孜以求的是設計并制造一種可以不消耗能量而能永遠做功的機械，科學界稱之為“第一類永動機”。然而，第一定律提出后，迅速搶占了理論的制高點，“永動機”無論設計多么精巧，制造多么精密，在這一定律面前都迅速土崩瓦解，徹底失敗。

解析：液體的蒸發(fā)是典型的熱量傳遞和轉化的過程，液體從外界吸收熱量進行蒸發(fā)，并且蒸汽抵抗外界大氣壓力進行蒸發(fā)，總的能量不會變化。一種物質的蒸發(fā)比容和蒸發(fā)熱都是物質本身的特性。在本題中，根據(jù)熱力學第一定律，只要液體吸收的熱量和做的功能夠相等，可以簡單地給出解答。

（二）熱力學第二定律

不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。這就是熱力學第二定律的內涵。當?shù)谝活愑绖訖C破產之后，全世界的科學家們又致力于第二類永動機的開發(fā)，這類機械只需從單一熱源吸收熱能便能獲得永遠對外做功的動力，曾經(jīng)是人們對于未來社會的終極愿望之一，但是又被上面的定律徹底地粉碎掉，于是上面的一段話有了一個簡單地總結：第二類永動機不可能實現(xiàn)。

第一定律揭示了熱量的永恒，第二定律則揭示了熱量傳遞的方向性，即只能從高溫向低溫傳遞，這一定律后來發(fā)展出了一門叫做傳熱學的熱學分支。熱的傳遞與問題本身保有的內能數(shù)量無關，一缸50℃的水保有的內能肯定比一枚100℃的繡花針保有的內能多，但是當這兩個物體接觸時，熱量肯定是從繡花針向水進行傳遞，這就是大自然的規(guī)律，這就是科學。

（三）熱力學第三定律

不可能用有限個手段和程序使一個物體冷卻到絕對溫度零度，或者絕對零度不可能達到，這句話就是著名的熱力學第三定律。絕對零度是熱力學第三定律中最為重要的一個概念。1848年，開爾文（Kelvin）提出熱力學溫標，它是建立在卡諾循環(huán)基礎上的，與測溫物質性質無關。 開爾文建議用此原理定義溫標，稱為熱力學溫標，通常也叫做絕對溫標，以開（K）表示。在此之前，國際上尚未一種統(tǒng)一的溫度標定方法。攝氏溫度、華氏溫度占據(jù)了人們的生活，并且一直與標準溫度并用至今。氦、氫、氮等氣體在溫度較高、壓強不太大的條件下，其性質接近理想氣體。所以，這種氣體溫度計的讀數(shù)可以校正為熱力學溫標。熱力學溫標用單一固定點定義，規(guī)定“熱力學溫度單位開爾文（K）是水三相點熱力學溫度的1273.16”。水的三相點熱力學溫度為273.16K。熱力學溫標與通常習慣使用的攝氏溫度分度值相同，只是差一個常數(shù)T=273.15+t度。由于氣體溫度計的裝置復雜，使用很不方便，為了統(tǒng)一國際間的溫度量值，規(guī)定-273.15℃并定義為0K，即絕對零度。

熱力學第三定律對熱學中的一個重要概念——熵，進行了描述，在任何過程中，熵總是在增加的。這里涉及熱的本質，即物體分子的運動，分子振動或者運動得越劇烈，則溫度越高，當分子運動停止時，理論上說達到了絕對零度，但運動是分子最基本的性質之一，令其靜止是不可能實現(xiàn)的，所以絕對零度不可能達到。

二、 熱力學改變世界

（一）改變生產的方式

自從人類掌握了火的使用方法，人們在獲取熱量方面取得了一定的主動性。于是人類利用自己采集到的樹木、煤炭為燃料來燒水做飯，這些植物或者植物化石的化學能轉變成了熱能，后來被大規(guī)模地運用到工業(yè)化的冶鐵、煉鋼等行業(yè)中。人類大規(guī)模的生產誕生于蒸汽機的發(fā)明，因為這臺據(jù)說是受到爐子燒水蒸汽沖擊壺蓋而發(fā)明的機械將熱能轉化為了可用于生產的機械能，于是人類迎來了第一次工業(yè)革命，大大加快了人類文明的進程。

擁有產生大功率強動力的機械設備一直是人類的夢想。1775至1800年的25年間，瓦特和波爾頓在英國共安裝289臺蒸汽機。隨后，蒸汽機開始用于其他的工業(yè)用以產生強勁的動力。各個生產部門都實行機械化，機械工業(yè)的產生可以看做是機械化的一個重要標志。

（二）改變人們的生活方式

蒸汽機在工業(yè)大生產中做出突出貢獻的同時，也給人們的生活帶來了很多的便捷。人們從此擺脫了必須依靠河流來發(fā)展的傳統(tǒng)模式，將蒸汽機與車輛、輪船相結合，就有了現(xiàn)代的火車和蒸汽輪船，于是人們的出行變得分外的便捷起來，橫渡太平洋也成為易于實現(xiàn)的現(xiàn)實。馬克思說：“生產力決定生產關系。”隨著大工業(yè)的發(fā)展，資本家和工人這一對矛盾的階級走上了歷史的舞臺。工業(yè)的組織結構也改變了人們之間的關系。工人的大量產生導致了一個無產階級的壯大，世界的格局產生了巨大的變化。

蒸汽機推動了發(fā)電機，一直應用到現(xiàn)在，將熱能轉變?yōu)闄C械能，使得人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。工業(yè)大生產使人們開始大規(guī)模地聚居，大城市開始產生。1760年時，除倫敦之外，只有布里斯托爾的人口在5萬以上。但到1831年，格拉斯哥已是二十幾萬人口的大工業(yè)城都市了，有328臺蒸汽機，分裝在六十多艘汽船和107家紡織廠中。1841年，大倫敦的人口為223.9萬，是80年前的3倍；全國10萬人口以上的城市有9個，5萬以上的有24個。在大小所有城鎮(zhèn)中，以工廠為中心的小城鎮(zhèn)發(fā)展特別快。

（三）破壞人類生存環(huán)境

任何東西都有其兩面性，熱量也是如此。人類生存環(huán)境的極度惡化也源于人類大規(guī)模地使用熱能。自從第一工業(yè)革命開始，為了適應大生產的需要，巨量樹木、煤炭、石油被使用，產生出大量的溫室氣體CO2以及有害氣體SO2，這些嚴重破壞了大自然的生態(tài)平衡，甚至給人類帶來了災難。全球氣溫的升高致使南北極的冰蓋融化，海平面升高，大陸邊緣很可能變成汪洋，硫的氧化物在空氣中氧化并且與水結合形成硫酸，使得倫敦經(jīng)歷多次酸雨的洗禮。

三、結語

在人類的歷史上，火的使用使得人類擺脫了茹毛飲血的野蠻，而蒸汽機的發(fā)明，成功地將熱能轉化為了機械能，機械能又通過別的方式或傳遞或轉化，于是世界開始了它的高速發(fā)展。然而，在世界高速發(fā)展的同時，環(huán)境污染問題也變得日益嚴重起來，需要人們給予更多的關注。熱力學是大學物理的一個重要分支，學好這部分知識，更加合理地運用熱能，是每一個理工科大學生肩上沉甸甸的使命。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 宋明玉.大學物理[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2] 閻康年.熱力學史[M].濟南：山東科學技術出版社，1989.

[責任編輯：黃春香]