热力学三定律内容(热力学三大定律)
一切都是热力学：简介
这都是热力学。这不仅仅是物理领域的概念，也不是仅在电子产品、冰箱、汽车、飞机等中发现的一组定律。这是将自身编织到织物中的科学概念的生命。问题是，热力学就是能量的运作方式，所以很容易被忽视。当你一周又一周地打扫办公室时，办公室似乎一天比一天变得更乱，这就是热力学第二定律的作用，一切都会导致更加混乱。或者，当您本周末将美味的牛排放在烤架上时，这就是热力学第一定律的作用，以热量的形式将能量传递给您的食物。热力学不仅仅是对热和功的研究；它也是对热和功的研究。它是研究如何能量，热力学是对生命的研究。
系统和环境
我们都生活在物质和能量不断交换的系统中；这是一个永无止境的过程。以吃饭的过程为例。您吸收食物的化学能并将其转化为身体可以使用的形式。既然你的身体已经从食物中获得了能量，它就可以在世界上继续前进了。
这种能量从一种状态转换到另一种状态的交换过程发生在一组系统和环境中。当您早上打开电热水壶时，您的金属容器中装有水，这就是您的系统。厨房的其余部分，甚至房子的其余部分，都是周围的环境。中
当你的茶壶开始沸腾时，它会将一些水转化为蒸汽，从顶部的壶嘴释放出来。这种转换后的能量来自金属容器内的系统边界到达其外部的环境。这是工作中的热力学，是系统和环境之间能量和物质的转移。
每个热力学系统都被边界和环境包围。
每个热力学系统都被边界和环境包围。（图片来源）
系统是由观察者定义的，因此对于一个人来说，茶壶可能就是系统。对于另一个人来说，整个房子可能是系统，邻居是周围环境，这完全取决于你的观点。要点是，热力学中的每个系统都包含在定义的边界内，周围环境位于边界的另一侧。热力学中存在三种类型的系统：
开放系统，允许系统与其周围环境之间进行能量和物质交换。一个封闭的系统，系统与周围环境之间只能交换能量，不能交换物质。系统与其周围环境之间不发生能量或物质交换的孤立系统。真正孤立的系统很少见。在高层次上，我们的整个宇宙被认为是一个系统，但是我们的宇宙的边界是什么以及它的周围是什么？这些是我们尚未回答的一些更大的问题。对于电子设计师来说，热力学通过您设计的日常设备呈现出更加个性化的现实。您会发现许多用于计算和分析电路的原理（例如基尔霍夫定律）都是基于热力学的基础。
热力学第一定律
热力学第一定律，也称为能量守恒定律，规定能量不能被创造或毁灭，它只能改变形式。能量有多种不同的形式，包括：
能量有多种不同的形式。
能量不会被创造或毁灭；它只是从一种形式转变为另一种形式。打开电灯开关不会产生能量，它只是将电能转化为辐射能（光）和热能（热）。
能量转换的实际例子。
第一定律包含三个相关概念：功、热和内能。热量是两个系统之间的热能传递。功是在系统与其周围环境之间传递能量的力。通过在系统内或系统外产生功，您会产生热量。然后是内部能量，它是系统内的所有能量。当热、功和内能相互作用时，能量就会发生转化。您可以用数学方法将这种关系表示为：
其中，U是系统内能量的总变化，Q是系统与周围环境之间的热交换，W是系统所做的功。
当系统释放热量或做某种功时，系统的内能会减少。同样，如果向系统添加热量或对系统做功，系统的内能也会增加。系统释放的任何能量都会被周围环境吸收，周围环境损失的任何能量也会被系统吸收。在所有这些例子中，你并不是在创造或破坏能量；而是在创造或毁灭能量。它只是从一个地方移动到另一个地方。从数学上来说，这看起来像：
这里，Us系统是系统的总内能，并且始终等于周围环境总能量的U。
关于第一定律要记住的重要一点是，能量转换并不是100%有效的。在我们的灯泡示例中，您将电能转换为可用的光能形式，但在此过程中您以热的形式产生了不可用的能量。
当与电子学相关时，热力学第一定律类似于基尔霍夫现行定律。这个著名的定律指出，进入节点的电流量等于离开节点的电流量。无论有多少个节点，进来的都必须出来。
在下图中，有两个电流进入节点，三个电流离开节点。根据基尔霍夫电流定律，当前进入节点和退出节点之间的关系可以表示为：
基尔霍夫现行定律。
这对于我们的系统与其环境之间的平衡方程来说听起来熟悉吗？
热力学第二定律
热力学第二定律，也称为熵增定律，指出随着时间的推移，系统中的无组织状态或熵总是会增加。这是什么意思？举个例子——为什么你的办公桌总是随着一周的进展而变得更乱？或者更重要的是，为什么你的办公室不用你自己动手就可以从凌乱到干净？这是热力学中的时间箭头。随着时间的增加，混乱也会增加。
这种现象在任何系统中都会发生。随着时间的推移，可用能量最终将让位于不可用能量。虽然能量不能根据第一定律被创造或毁灭，但它可以从有用的状态转变为不太有用的状态，例如热能（热量）。
随着时间的推移，每个系统都会从低熵状态转变为高熵状态。
在我们的灯泡示例中，我们将灯泡打开将电能转化为辐射能的时间越长，我们继续以热的形式转化为不可用能量的可用能量就越多。随着系统内可用能量的减少和不可用能量的增加，我们说系统的熵增加。从数学上讲：
这里，宇宙内部的总熵Suniverse等于系统内部的总熵Ssys加上所有周围环境的总能量Ssurr，所有这些都不能小于0。为什么呢？因为在任何时候，一天中的任何时候，所有能量都在从一种形式转变为另一种形式，而其中一种形式是无法使用的能量。驾驶汽车使用机械能产生运动动能，但在此过程中也将大量能量转化为热量。这是不可避免的副产品。
考虑熵的另一种方法是概率。以一个装满拼图的盒子为例。您将所有拼图块从盒子中取出，其中一块随机落在与另一块完美连接的位置的概率是多少？这是一个很小的概率。一块棋子随机落入同一个盒子中无法容纳另一块棋子的位置的概率是多少？这是一个非常高的概率。
完全混乱！熵以概率占上风。
在这个拼图示例中，随机放置的拼图块代表了更高形式的无序或熵。这就是为什么轮胎被刺破时会释放空气，或者为什么在室温下放置的冰块最终会融化，或者为什么电路中的电子从负极流向正极。当然，所有这些动作都有可能反向发生，但发生的概率很低，而且概率增加的牌堆得太高，根本不会发生。
在电子学中，我们看到热力学第二定律与塞贝克效应一起发挥作用。当热量施加到两个导体之一时，就会发生这种现象，导致加热的电子流向较冷的导体。如果一对加热导体在电路中连接在一起，加热效应将导致直流电（DC）流过电路。在这种情况下，冷导体中处于较低熵状态的电子被加热到较高熵状态，因此无序度增加。
塞贝克效应利用热量产生直流电。
热力学第三定律
热力学第三定律指出，绝对零温度下的完美晶体结构将具有零无序或零熵。然而，如果这种晶体结构中存在最微小的缺陷，那么熵也将是最小的。不过，这个定律有点奇怪，因为即使在零开尔文，一些原子运动仍然会发生，所以它有点理论化。无论如何，这条定律让我们了解到，当系统的熵接近绝对零的温度时，系统中存在的熵会减少。
热力学第三定律。
热力学第零定律
热力学第零定律指出，如果两个系统与第三个系统处于热平衡，那么前两个系统也彼此处于热平衡。使用我们的旧方程传递属性：
如果系统A与系统C处于平衡状态，系统B与系统C处于平衡状态，则系统A和系统B也处于平衡状态。该定律允许您定义系统之间的热流方向。如果您知道一组连接系统的温度，那么您就会根据热平衡的基本原理知道热量将朝哪个方向传播。
建立系统之间的热平衡。
请注意，虽然我们最后介绍了第零定律，但它实际上是最先介绍的。18世纪定义热力学定律时，只包括前三个定律。然而，科学家意识到他们需要定义温度运动的第四定律。英国科学家罗伯特·福勒没有对所有现有法律进行重新编号并给现有文献增加混乱，而是提出了“零法则”这个名称。
谁发现了这些定律？
热力学定律不是一个人发现的。这一发展可以追溯到1600年代，当时首次提出了热和温度的基本概念。1824年，法国物理学家萨迪·卡诺在讨论理想机器的效率时第一个定义了热力学的基本原理。萨迪最初使用热量系统来描述发动机运动过程中损失的热量，后来在热力学第二定律中被熵所取代。
萨迪·卡诺，热力学之父。
1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯提出了克劳修斯声明，指出“热量通常不能自发地从较低温度的材料流向较高温度的材料”。大约在同一时间，威廉·汤姆森（开尔文勋爵）制定了开尔文声明，其中表示“在一个循环中不可能完全转换热量（而不损失能量）”。这两个陈述后来形成了热力学第一定律和第二定律基础。热力学第三定律后来由德国化学家瓦尔特·能斯特提出，通常被称为能斯特定理。
开尔文勋爵，热力学定律背后的伟大思想家之一。
把它们放在一起
环顾四周，看看这个充满运动能量的神奇世界，您就会看到热力学定律在发挥作用。无论是在将食物的化学能转化为体内可用能量的过程中，还是在汽车或飞机中将机械能转化为动能的过程中。热力学是一种生活方式。您甚至会在电子设计中发现热力学定律。像基尔霍夫电流定律这样的原理与热力学第一定律完全一致，该定律指出，进入一组节点的电流必须流出，就像能量不能被创造或破坏，只能被转化一样。关于热力学第二定律，我们观察到电路中的塞贝克效应，其中加热的电子将流向较冷的导体，在此过程中在电路中产生电流。在这里，熵在起作用，无论它走到哪里，都会造成越来越多的混乱。
无论你在设计什么，你都是根据热力学定律进行设计的。将这些原则付诸实践，