高文竹 姜立伟
[摘 要]热学是大学物理的一个重要分支，主要研究热现象中物态转变和能量转换的规律，是热能与动力工程、暖通空调、冶金以及工程物理等大学专业的理论基础。热力学改变了生产的方式，改变了人们的生活方式，改变了世界。人类生存环境的极度恶化也源于人类大规模地使用热能。热量的使用是人类自诞生以来永恒的主题，怎样高效地运用热能永远是人类努力的方向。
[关键词]热量 定律 热力学 改变世界
[中图分类号] O414.1 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）05-0046-02
在各个版本的大学物理教材中，热力学作为自然科学的一个重要分支，都在其中占有一席之地。众所周知，物理学包括：力学、光学、声学、热力学、电磁学和核物理学。与其他分支一样，热力学也发展成了一门系统完整的科学。
自人类诞生以来，热量在人们的生产生活中就起着支配性的作用。人们靠着太阳辐射或者动物的皮毛来取暖，在炎炎夏日又必须在树荫或者洞穴中躲避太阳的炙烤。当人类第一次掌握了火的用法，从自然界汲取热量就变得简单起来。人类从此结束了茹毛饮血的时代，开始享受熟食的美味和健康。人类根据不同时间太阳辐射地球的热量，将一年自然地分成了春、夏、秋、冬四季，又将每一天的时间分为上午、中午、下午、黄昏等不同的时间段。植物有一个巨大的本领，就是利用太阳辐射的能量，将二氧化碳吸收后释放出氧气，于是整个地球开始熙熙攘攘，生机勃勃。由此可见，热量的使用是人类自诞生以来永恒的主题，怎样高效地利用热能永远是人类努力的方向。
一、热力学三大定律
（一）热力学第一定律
热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。这被称为热力学第一定律，它昭示了能量的永恒，不可能被创造，也不可能被消灭。在大自然的铁律面前，人类是那幺的无力和渺小。第一定律提出之前，全世界的科学家们孜孜以求的是设计并制造一种可以不消耗能量而能永远做功的机械，科学界称之为“第一类永动机”。然而，第一定律提出后，迅速抢占了理论的制高点，“永动机”无论设计多幺精巧，制造多幺精密，在这一定律面前都迅速土崩瓦解，彻底失败。
解析：液体的蒸发是典型的热量传递和转化的过程，液体从外界吸收热量进行蒸发，并且蒸汽抵抗外界大气压力进行蒸发，总的能量不会变化。一种物质的蒸发比容和蒸发热都是物质本身的特性。在本题中，根据热力学第一定律，只要液体吸收的热量和做的功能够相等，可以简单地给出解答。
（二）热力学第二定律
不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。这就是热力学第二定律的内涵。当第一类永动机破产之后，全世界的科学家们又致力于第二类永动机的开发，这类机械只需从单一热源吸收热能便能获得永远对外做功的动力，曾经是人们对于未来社会的终极愿望之一，但是又被上面的定律彻底地粉碎掉，于是上面的一段话有了一个简单地总结：第二类永动机不可能实现。
第一定律揭示了热量的永恒，第二定律则揭示了热量传递的方向性，即只能从高温向低温传递，这一定律后来发展出了一门叫做传热学的热学分支。热的传递与问题本身保有的内能数量无关，一缸50℃的水保有的内能肯定比一枚100℃的绣花针保有的内能多，但是当这两个物体接触时，热量肯定是从绣花针向水进行传递，这就是大自然的规律，这就是科学。
（三）热力学第三定律
不可能用有限个手段和程序使一个物体冷却到绝对温度零度，或者绝对零度不可能达到，这句话就是着名的热力学第三定律。绝对零度是热力学第三定律中最为重要的一个概念。1848年，开尔文（Kelvin）提出热力学温标，它是建立在卡诺循环基础上的，与测温物质性质无关。 开尔文建议用此原理定义温标，称为热力学温标，通常也叫做绝对温标，以开（K）表示。在此之前，国际上尚未一种统一的温度标定方法。摄氏温度、华氏温度占据了人们的生活，并且一直与标准温度并用至今。氦、氢、氮等气体在温度较高、压强不太大的条件下，其性质接近理想气体。所以，这种气体温度计的读数可以校正为热力学温标。热力学温标用单一固定点定义，规定“热力学温度单位开尔文（K）是水三相点热力学温度的1273.16”。水的三相点热力学温度为273.16K。热力学温标与通常习惯使用的摄氏温度分度值相同，只是差一个常数T=273.15+t度。由于气体温度计的装置复杂，使用很不方便，为了统一国际间的温度量值，规定-273.15℃并定义为0K，即绝对零度。
热力学第三定律对热学中的一个重要概念——熵，进行了描述，在任何过程中，熵总是在增加的。这里涉及热的本质，即物体分子的运动，分子振动或者运动得越剧烈，则温度越高，当分子运动停止时，理论上说达到了绝对零度，但运动是分子最基本的性质之一，令其静止是不可能实现的，所以绝对零度不可能达到。
二、 热力学改变世界
（一）改变生产的方式
自从人类掌握了火的使用方法，人们在获取热量方面取得了一定的主动性。于是人类利用自己采集到的树木、煤炭为燃料来烧水做饭，这些植物或者植物化石的化学能转变成了热能，后来被大规模地运用到工业化的冶铁、炼钢等行业中。人类大规模的生产诞生于蒸汽机的发明，因为这台据说是受到炉子烧水蒸汽冲击壶盖而发明的机械将热能转化为了可用于生产的机械能，于是人类迎来了第一次工业革命，大大加快了人类文明的进程。
拥有产生大功率强动力的机械设备一直是人类的梦想。1775至1800年的25年间，瓦特和波尔顿在英国共安装289台蒸汽机。随后，蒸汽机开始用于其他的工业用以产生强劲的动力。各个生产部门都实行机械化，机械工业的产生可以看做是机械化的一个重要标志。
（二）改变人们的生活方式
蒸汽机在工业大生产中做出突出贡献的同时，也给人们的生活带来了很多的便捷。人们从此摆脱了必须依靠河流来发展的传统模式，将蒸汽机与车辆、轮船相结合，就有了现代的火车和蒸汽轮船，于是人们的出行变得分外的便捷起来，横渡太平洋也成为易于实现的现实。马克思说：“生产力决定生产关系。”随着大工业的发展，资本家和工人这一对矛盾的阶级走上了历史的舞台。工业的组织结构也改变了人们之间的关系。工人的大量产生导致了一个无产阶级的壮大，世界的格局产生了巨大的变化。
蒸汽机推动了发电机，一直应用到现在，将热能转变为机械能，使得人们的生活发生了翻天覆地的变化。工业大生产使人们开始大规模地聚居，大城市开始产生。1760年时，除伦敦之外，只有布里斯托尔的人口在5万以上。但到1831年，格拉斯哥已是二十几万人口的大工业城都市了，有328台蒸汽机，分装在六十多艘汽船和107家纺织厂中。1841年，大伦敦的人口为223.9万，是80年前的3倍；全国10万人口以上的城市有9个，5万以上的有24个。在大小所有城镇中，以工厂为中心的小城镇发展特别快。
（三）破坏人类生存环境
任何东西都有其两面性，热量也是如此。人类生存环境的极度恶化也源于人类大规模地使用热能。自从第一工业革命开始，为了适应大生产的需要，巨量树木、煤炭、石油被使用，产生出大量的温室气体CO2以及有害气体SO2，这些严重破坏了大自然的生态平衡，甚至给人类带来了灾难。全球气温的升高致使南北极的冰盖融化，海平面升高，大陆边缘很可能变成汪洋，硫的氧化物在空气中氧化并且与水结合形成硫酸，使得伦敦经历多次酸雨的洗礼。
三、结语
在人类的历史上，火的使用使得人类摆脱了茹毛饮血的野蛮，而蒸汽机的发明，成功地将热能转化为了机械能，机械能又通过别的方式或传递或转化，于是世界开始了它的高速发展。然而，在世界高速发展的同时，环境污染问题也变得日益严重起来，需要人们给予更多的关注。热力学是大学物理的一个重要分支，学好这部分知识，更加合理地运用热能，是每一个理工科大学生肩上沉甸甸的使命。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 宋明玉.大学物理[M].北京：清华大学出版社，2009.
[2] 阎康年.热力学史[M].济南：山东科学技术出版社，1989.
[责任编辑：黄春香]
