Question

热力学的定义与内容是什么?

Answer 1

热力学
热力学是热学理论的一个方面.热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质,它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律.
热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论,不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用.因此它是一种唯象的宏观理论,具有高度的可靠性和普遍性.
热力学三定律是热力学的基本理论.热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系,它引进了系统的态函数——内能.热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的.
热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态,这是一个不可逆过程.例如使温度不同的两个物体接触,最后到达平衡态,两物体便有相同的温度.但其逆过程,即具有相同温度的两个物体,不会自行回到温度不同的状态.
这说明,不可逆过程的初态和终态间,存在着某种物理性质上的差异,终态比初态具有某种优势.1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别,1865年他给此函数定名为熵.
1850年,克劳修斯在总结了这类现象后指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,这就是热力学第二定律的克氏表述.几乎同时,开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容.
用熵的概念来表述热力学第二定律就是：在封闭系统中,热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行,当熵到达最大值时,系统到达平衡态.第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述.
1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度.此定律称为热力学第三定律.
热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的,在此基础上,又引进了三个基本状态函数：温度、内能、熵,共同构成了一个完整的热力学理论体系.此后,为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性,又引进了一些辅助的状态函数,如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等.这会带来运算上的方便,并增加对热力学状态某些特性的了解.
从热力学的基本定律出发,应用这些状态函数,利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系,是热力学方法的基本内容.
热力学理论是普遍性的理论,对一切物质都适用,这是它的优点,但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论.例如讨论理想气体时,需要给出理想气体的状态方程；讨论电磁物质时,需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等.这样才能从热力学的一般关系中,得出某种特定物质的具体知识.
平衡态热力学的理论已很完善,并有广泛的应用.但在自然界中,处于非平衡态的热力学系统(物理的、化学的、生物的)和不可逆的热力学过程是大量存在的.因此,这方面的研究工作十分重要,并已取得一些重要的进展.
目前,研究非平衡态热力学的一种理论是在一定条件下,把非平衡态看成是数目众多的局域平衡态的组合,借助原有的平衡态的概念描述非平衡态的热力学系统.并且根据“流”和“力”的函数关系,将非平衡态热力学划分为近平衡区(线性区)和远离平衡区(非线性区)热力学.这种理论称为广义热力学,另一种研究非平衡态热力学的理论是理性热力学.它是以热力学第二定律为前提,从一些公理出发,在连续媒质力学中加进热力学概念而建立起来的理论.它对某些具体问题加以论证,在特殊的弹性物质的应用中取得了一定成果.
非平衡态热力学领域提供了对不可逆过程宏观描述的一般纲要.对非平衡态热力学或者说对不可逆过程热力学的研究,涉及广泛存在于自然界中的重要现象,是正在探讨的一个领域.如平衡态的热力学和统计力学的关系一样,从微观运动的角度研究非平衡态现象的理论是非平衡态统计力学.
选自：《物理学简史》