熱力學三定律

一切都是熱力學。這不僅僅是為物理學領域保留的概念，也不是您只能在電子產品、冰箱、汽車、飛機等中找到的一套定律。這是一個將自身編織到織物中的科學概念的生活。問題是，熱力學只是能量的工作方式，所以很容易被忽略。當您一周又一周地打掃辦公室時，似乎一天比一天更亂，這就是熱力學第二定律在起作用，所有事情都會導致混亂狀態加劇。或者當你這個周末在烤架上烤出美味的牛排時，這就是熱力學第一定律在起作用，以熱量的形式將能量傳遞給你的食物。熱力學不僅僅是對熱和功的研究；這是對能量如何的研究，熱力學是對生命的研究。

我們都生活在一個物質和能量不斷交換的系統中；這是一個無窮無盡的流程。以吃飯的過程為例，你吸收食物的化學能，并將其轉化為你的身體可以使用的形式。既然你的身體已經從食物中獲得能量，它就可以在世界上進行鍛煉了。

這種能量從一種狀態轉換到另一種狀態的交換過程都發生在一組系統和環境中。當您早上打開電熱水壺時，您的金屬容器中裝有水，這就是您的系統。廚房的其余部分，甚至房子的其余部分，都是周圍的環境。

當您的茶壺開始沸騰時，它會將一些水轉化為蒸汽，從頂部的壺嘴釋放出來。這種轉換后的能量從金屬容器內的系統跨越邊界到達其外部的環境。這是工作中的熱力學，是系統和環境之間能量和物質的轉移。

每個熱力學系統都被邊界和環境所包圍。

每個熱力學系統都被邊界和環境所包圍。（圖片來源）

系統是由觀察者定義的，所以對于一個人來說，茶壺可能就是系統。對另一個人來說，整個房子可能就是系統，而鄰居就是周圍環境，這一切都取決于你的觀點。關鍵是，熱力學中的每個系統都包含在定義的邊界內，而邊界的另一側是周圍環境。熱力學中存在三種類型的系統：

• 一個開放系統，可以在系統與其周圍環境之間交換能量和物質。

• 一個封閉系統，其中只有能量可以在系統與其周圍環境之間交換，而不是物質。

• 一個孤立的系統，系統與其周圍環境之間沒有能量或物質交換。真正孤立的系統很少見。

在高層次上，我們的整個宇宙被認為是一個系統，但我們宇宙的邊界是什么，它的周圍是什么？這些是我們尚未回答的一些更大的問題。對于電子設計師來說，熱力學通過您設計的日常設備呈現出更加個性化的現實。您會發現，您已經使用的許多用于計算和分析電路（如基爾霍夫定律）的原理都是基于熱力學的基礎。

熱力學第一定律，也稱為能量守恒定律，說能量不能被創造或毀滅，它只能改變形式。能量有很多不同的形式，包括：

能量有多種不同的形式。

能量不會被創造或毀滅；它只是從一種形式變為另一種形式。打開電燈開關不會產生能量，它只是將電能轉換為輻射能（光）和熱能（熱）。

行動中能量轉換的實際例子。

第一定律包含三個相關的概念——功、熱和內能。熱量是兩個系統之間的熱能傳遞。功是在系統與其周圍環境之間傳遞能量的力。通過在系統內或系統外產生功，您會產生熱量。然后是內部能量，它是系統內的所有能量。當熱、功和內能相互作用時，能量就會發生轉化。您可以用數學方法將這種關系表示為：

這里，ΔU是系統內部能量的總變化，Q是系統與周圍環境之間的熱交換，W是系統所做的功。

當系統釋放熱量或做某種功時，系統的內能會減少。同樣，如果將熱量添加到系統中，或者對系統做功，系統的內能也會增加。系統釋放的任何一種能量都會被其周圍環境吸收，而周圍環境損失的任何一種能量都會被系統吸收。在所有這些例子中，你不是在創造或破壞能量；而是在創造能量。它只是從一個地方移動到另一個地方。用數學表示，這看起來像：

這里，ΔU s系統是系統中的總內能，并且總是等于周圍環境中的總能量的ΔU 。

關于第一定律要記住的重要一點是，能量的轉換并不是 100% 有效的。在我們的燈泡示例中，您可以將電能轉換為可用的光能形式，但在此過程中，您會以熱的形式產生不可用的能量。

當與電子學相關時，熱力學第一定律與基爾霍夫電流定律相似。這條著名的定律指出，進入節點的電流量等于離開節點的電流量。不管你有多少節點，進去什么，必須出來。

在下圖中，我們有兩個電流進入節點，三個電流離開節點。根據基爾霍夫電流定律，電流進出節點之間的關系可以表示為：

基爾霍夫電流定律。

這對我們的系統與環境之間的平衡方程來說是不是很熟悉？

熱力學第二定律，也稱為熵增定律，指出隨著時間的推移，系統中的無組織狀態或熵總是會增加。這是什么意思？舉個例子——為什么你的辦公桌總是隨著一周的進展而變得更亂？或者更重要的是，為什么你的辦公室不用你自己動手就可以從凌亂到干凈？這是熱力學中的時間箭頭。隨著時間的增加，混亂也會增加。

這種現象發生在任何系統中。隨著時間的推移，可用能源最終將讓位于不可用能源。雖然根據第一定律不能創造或破壞能量，但它可以從有用的狀態變為不太有用的狀態，如熱能（熱量）。

隨著時間的推移，每個系統都會從低熵狀態變為高熵狀態。

在我們的燈泡示例中，我們將燈泡打開的時間越長，將電能轉換為輻射能，我們繼續以熱的形式將更多的可用能量轉換為不可用的能量。隨著系統內可用能量的減少和不可用能量的增加，我們說系統的熵增加了。數學上說：

這里，宇宙內的總熵ΔS宇宙等于系統內的總熵ΔS sys加上所有周圍環境的總能量ΔS surr，所有這些都不能小于0。為什么？因為在任何時候，一天中的所有時間，所有的能量都在從一種形式轉變為另一種形式，其中一種形式是無法使用的能量。駕駛汽車使用機械能產生運動動能，但在此過程中，您還將大量能量轉化為熱量。這是不可避免的副產品。

考慮熵的另一種方法是概率。以一個裝滿拼圖的盒子為例。您將所有拼圖塊從盒子中傾倒出來，其中一個拼圖隨機落在它與另一塊完美連接的地方的概率是多少？這是一個很小的概率。在同一個盒子里，一塊隨機落在它不適合另一塊的地方的概率是多少？這是一個很高的概率。

徹底的混亂！熵以概率占上風。

在這個拼圖示例中，隨機放置的拼圖代表了更高形式的無序或熵。這就是為什么輪胎在被刺破時會釋放空氣，或者為什么在室溫下放置的冰塊最終會融化，或者為什么電路中的電子會從負極流向正極。當然，所有這些動作都有可能反過來發生，但是它們發生的概率很低，而且概率增加的牌堆得很高，以至于它們根本不會發生。

在電子學中，我們看到熱力學第二定律與塞貝克效應一起起作用。當熱量施加到兩個導體之一時會發生這種現象，這會導致加熱的電子流向較冷的導體。如果將這對加熱導體在電路中連接在一起，則加熱效應將導致直流電 (DC) 流過電路。在這種情況下，冷導體中處于較低熵狀態的電子通過加熱達到較高的熵狀態，因此無序性增加。

塞貝克效應利用熱量產生直流電。

熱力學第三定律說，在絕對零溫度下完美的晶體結構將具有零無序或熵。但是，如果這種晶體結構中存在最微小的缺陷，那么熵也將是最少量的。不過，這條定律有點奇怪，因為即使在零開爾文時，仍然會發生一些原子運動，所以它有點理論化。無論如何，這條定律使我們能夠理解，當系統的熵接近絕對零的溫度時，系統中存在的熵會減少。

熱力學第三定律。

熱力學第零定律說，如果兩個系統與第三個系統處于熱平衡狀態，那么前兩個系統也彼此處于熱平衡狀態。使用我們古老的等式傳遞屬性：

• 如果系統 A 與系統 C 平衡

• 系統 B 與系統 C 平衡

• 那么系統 A 和系統 B 也處于平衡狀態。

該定律允許您定義系統之間的熱流方向。如果您知道一組連接系統的溫度，那么您將根據熱平衡的基本原理知道熱量將向哪個方向傳播。

系統之間建立熱平衡。

請注意，雖然我們最后介紹的是第零定律，但它實際上是第一位的。在 18 世紀定義熱力學定律時，只包括前三個。然而，科學家們意識到他們需要定義溫度運動的第四定律。英國科學家羅伯特·福勒（Robert Fowler）沒有對所有現有法律重新編號并給現有文獻增加混亂，而是提出了第零定律這個名字。

熱力學定律不是一個人發現的。這一發展可以追溯到 1600 年代，當時熱量和溫度的基本概念首次被提出。1824 年，法國物理學家薩迪·卡諾 (Sadi Carnot) 在討論理想機器的效率時率先定義了熱力學的基本原理。薩迪最初使用熱量系統來描述發動機運動過程中損失的熱量，后來在熱力學第二定律中被熵取代。

熱力學之父薩迪·卡諾。

1850年，德國物理學家魯道夫克勞修斯提出克勞修斯聲明，稱“熱量通常不能自發地從較低溫度的材料流向較高溫度的材料”。大約在同一時間，威廉湯姆森（開爾文勛爵）制定了開爾文聲明，其中說“不可能在循環過程中完全轉換熱量[不損失能量]。” 這兩個陳述繼續形成了熱力學第一和第二定律的基礎。熱力學第三定律后來由德國化學家Walther Nernst開發，通常被稱為 Nernst 定理。

開爾文勛爵，熱力學定律背后的偉大思想家之一。

環顧四周，看看這個令人驚嘆的運動能量世界，你會看到熱力學定律在起作用。無論是在將食物的化學能轉化為身體可用能量的過程中，還是在汽車或飛機中將機械能轉化為動能的過程中。熱力學是一種生活方式。您甚至會在您的電子設計中發現熱力學定律。像基爾霍夫電流定律這樣的原理與熱力學第一定律完全一致，指出進入一組節點的電流必須出來，就像能量不能被創造或摧毀，只能被轉化。對于熱力學第二定律，我們在電路中觀察到塞貝克效應，加熱的電子器件將流向較冷的導體，并在此過程中在電路中產生電流。在這里，我們有熵在起作用，無論它走到哪里，都會產生越來越多的無序狀態。

無論你在設計什么，你都在根據熱力學定律進行設計。將這些原則付諸實踐