熱力學(xué)三定律

一切都是熱力學(xué)。這不僅僅是為物理學(xué)領(lǐng)域保留的概念，也不是您只能在電子產(chǎn)品、冰箱、汽車、飛機(jī)等中找到的一套定律。這是一個(gè)將自身編織到織物中的科學(xué)概念的生活。問題是，熱力學(xué)只是能量的工作方式，所以很容易被忽略。當(dāng)您一周又一周地打掃辦公室時(shí)，似乎一天比一天更亂，這就是熱力學(xué)第二定律在起作用，所有事情都會導(dǎo)致混亂狀態(tài)加劇?；蛘弋?dāng)你這個(gè)周末在烤架上烤出美味的牛排時(shí)，這就是熱力學(xué)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(xué)不僅僅是對熱和功的研究；這是對能量如何的研究，熱力學(xué)是對生命的研究。

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

這種能量從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)的交換過程都發(fā)生在一組系統(tǒng)和環(huán)境中。當(dāng)您早上打開電熱水壺時(shí)，您的金屬容器中裝有水，這就是您的系統(tǒng)。廚房的其余部分，甚至房子的其余部分，都是周圍的環(huán)境。

當(dāng)您的茶壺開始沸騰時(shí)，它會將一些水轉(zhuǎn)化為蒸汽，從頂部的壺嘴釋放出來。這種轉(zhuǎn)換后的能量從金屬容器內(nèi)的系統(tǒng)跨越邊界到達(dá)其外部的環(huán)境。這是工作中的熱力學(xué)，是系統(tǒng)和環(huán)境之間能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)移。

每個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都被邊界和環(huán)境所包圍。

每個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都被邊界和環(huán)境所包圍。（圖片來源）

系統(tǒng)是由觀察者定義的，所以對于一個(gè)人來說，茶壺可能就是系統(tǒng)。對另一個(gè)人來說，整個(gè)房子可能就是系統(tǒng)，而鄰居就是周圍環(huán)境，這一切都取決于你的觀點(diǎn)。關(guān)鍵是，熱力學(xué)中的每個(gè)系統(tǒng)都包含在定義的邊界內(nèi)，而邊界的另一側(cè)是周圍環(huán)境。熱力學(xué)中存在三種類型的系統(tǒng)：

• 一個(gè)開放系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)與其周圍環(huán)境之間交換能量和物質(zhì)。

• 一個(gè)封閉系統(tǒng)，其中只有能量可以在系統(tǒng)與其周圍環(huán)境之間交換，而不是物質(zhì)。

• 一個(gè)孤立的系統(tǒng)，系統(tǒng)與其周圍環(huán)境之間沒有能量或物質(zhì)交換。真正孤立的系統(tǒng)很少見。

在高層次上，我們的整個(gè)宇宙被認(rèn)為是一個(gè)系統(tǒng)，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(shè)計(jì)師來說，熱力學(xué)通過您設(shè)計(jì)的日常設(shè)備呈現(xiàn)出更加個(gè)性化的現(xiàn)實(shí)。您會發(fā)現(xiàn)，您已經(jīng)使用的許多用于計(jì)算和分析電路（如基爾霍夫定律）的原理都是基于熱力學(xué)的基礎(chǔ)。

熱力學(xué)第一定律，也稱為能量守恒定律，說能量不能被創(chuàng)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(chuàng)造或毀滅；它只是從一種形式變?yōu)榱硪环N形式。打開電燈開關(guān)不會產(chǎn)生能量，它只是將電能轉(zhuǎn)換為輻射能（光）和熱能（熱）。

行動中能量轉(zhuǎn)換的實(shí)際例子。

第一定律包含三個(gè)相關(guān)的概念——功、熱和內(nèi)能。熱量是兩個(gè)系統(tǒng)之間的熱能傳遞。功是在系統(tǒng)與其周圍環(huán)境之間傳遞能量的力。通過在系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外產(chǎn)生功，您會產(chǎn)生熱量。然后是內(nèi)部能量，它是系統(tǒng)內(nèi)的所有能量。當(dāng)熱、功和內(nèi)能相互作用時(shí)，能量就會發(fā)生轉(zhuǎn)化。您可以用數(shù)學(xué)方法將這種關(guān)系表示為：

這里，ΔU是系統(tǒng)內(nèi)部能量的總變化，Q是系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間的熱交換，W是系統(tǒng)所做的功。

當(dāng)系統(tǒng)釋放熱量或做某種功時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)能會減少。同樣，如果將熱量添加到系統(tǒng)中，或者對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能也會增加。系統(tǒng)釋放的任何一種能量都會被其周圍環(huán)境吸收，而周圍環(huán)境損失的任何一種能量都會被系統(tǒng)吸收。在所有這些例子中，你不是在創(chuàng)造或破壞能量；而是在創(chuàng)造能量。它只是從一個(gè)地方移動到另一個(gè)地方。用數(shù)學(xué)表示，這看起來像：

這里，ΔU s系統(tǒng)是系統(tǒng)中的總內(nèi)能，并且總是等于周圍環(huán)境中的總能量的ΔU 。

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

當(dāng)與電子學(xué)相關(guān)時(shí)，熱力學(xué)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(jìn)入節(jié)點(diǎn)的電流量等于離開節(jié)點(diǎn)的電流量。不管你有多少節(jié)點(diǎn)，進(jìn)去什么，必須出來。

在下圖中，我們有兩個(gè)電流進(jìn)入節(jié)點(diǎn)，三個(gè)電流離開節(jié)點(diǎn)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，電流進(jìn)出節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系可以表示為：

基爾霍夫電流定律。

這對我們的系統(tǒng)與環(huán)境之間的平衡方程來說是不是很熟悉？

熱力學(xué)第二定律，也稱為熵增定律，指出隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)中的無組織狀態(tài)或熵總是會增加。這是什么意思？舉個(gè)例子——為什么你的辦公桌總是隨著一周的進(jìn)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(xué)中的時(shí)間箭頭。隨著時(shí)間的增加，混亂也會增加。

這種現(xiàn)象發(fā)生在任何系統(tǒng)中。隨著時(shí)間的推移，可用能源最終將讓位于不可用能源。雖然根據(jù)第一定律不能創(chuàng)造或破壞能量，但它可以從有用的狀態(tài)變?yōu)椴惶杏玫臓顟B(tài)，如熱能（熱量）。

隨著時(shí)間的推移，每個(gè)系統(tǒng)都會從低熵狀態(tài)變?yōu)楦哽貭顟B(tài)。

在我們的燈泡示例中，我們將燈泡打開的時(shí)間越長，將電能轉(zhuǎn)換為輻射能，我們繼續(xù)以熱的形式將更多的可用能量轉(zhuǎn)換為不可用的能量。隨著系統(tǒng)內(nèi)可用能量的減少和不可用能量的增加，我們說系統(tǒng)的熵增加了。數(shù)學(xué)上說：

這里，宇宙內(nèi)的總熵ΔS宇宙等于系統(tǒng)內(nèi)的總熵ΔS sys加上所有周圍環(huán)境的總能量ΔS surr，所有這些都不能小于0。為什么？因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候，一天中的所有時(shí)間，所有的能量都在從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，其中一種形式是無法使用的能量。駕駛汽車使用機(jī)械能產(chǎn)生運(yùn)動動能，但在此過程中，您還將大量能量轉(zhuǎn)化為熱量。這是不可避免的副產(chǎn)品。

考慮熵的另一種方法是概率。以一個(gè)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(gè)拼圖隨機(jī)落在它與另一塊完美連接的地方的概率是多少？這是一個(gè)很小的概率。在同一個(gè)盒子里，一塊隨機(jī)落在它不適合另一塊的地方的概率是多少？這是一個(gè)很高的概率。

徹底的混亂！熵以概率占上風(fēng)。

在這個(gè)拼圖示例中，隨機(jī)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(shí)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(fù)極流向正極。當(dāng)然，所有這些動作都有可能反過來發(fā)生，但是它們發(fā)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(fā)生。

在電子學(xué)中，我們看到熱力學(xué)第二定律與塞貝克效應(yīng)一起起作用。當(dāng)熱量施加到兩個(gè)導(dǎo)體之一時(shí)會發(fā)生這種現(xiàn)象，這會導(dǎo)致加熱的電子流向較冷的導(dǎo)體。如果將這對加熱導(dǎo)體在電路中連接在一起，則加熱效應(yīng)將導(dǎo)致直流電 (DC) 流過電路。在這種情況下，冷導(dǎo)體中處于較低熵狀態(tài)的電子通過加熱達(dá)到較高的熵狀態(tài)，因此無序性增加。

塞貝克效應(yīng)利用熱量產(chǎn)生直流電。

熱力學(xué)第三定律說，在絕對零溫度下完美的晶體結(jié)構(gòu)將具有零無序或熵。但是，如果這種晶體結(jié)構(gòu)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(diǎn)奇怪，因?yàn)榧词乖诹汩_爾文時(shí)，仍然會發(fā)生一些原子運(yùn)動，所以它有點(diǎn)理論化。無論如何，這條定律使我們能夠理解，當(dāng)系統(tǒng)的熵接近絕對零的溫度時(shí)，系統(tǒng)中存在的熵會減少。

熱力學(xué)第三定律。

熱力學(xué)第零定律說，如果兩個(gè)系統(tǒng)與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么前兩個(gè)系統(tǒng)也彼此處于熱平衡狀態(tài)。使用我們古老的等式傳遞屬性：

• 如果系統(tǒng) A 與系統(tǒng) C 平衡

• 系統(tǒng) B 與系統(tǒng) C 平衡

• 那么系統(tǒng) A 和系統(tǒng) B 也處于平衡狀態(tài)。

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

系統(tǒng)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(shí)際上是第一位的。在 18 世紀(jì)定義熱力學(xué)定律時(shí)，只包括前三個(gè)。然而，科學(xué)家們意識到他們需要定義溫度運(yùn)動的第四定律。英國科學(xué)家羅伯特·福勒（Robert Fowler）沒有對所有現(xiàn)有法律重新編號并給現(xiàn)有文獻(xiàn)增加混亂，而是提出了第零定律這個(gè)名字。

熱力學(xué)定律不是一個(gè)人發(fā)現(xiàn)的。這一發(fā)展可以追溯到 1600 年代，當(dāng)時(shí)熱量和溫度的基本概念首次被提出。1824 年，法國物理學(xué)家薩迪·卡諾 (Sadi Carnot) 在討論理想機(jī)器的效率時(shí)率先定義了熱力學(xué)的基本原理。薩迪最初使用熱量系統(tǒng)來描述發(fā)動機(jī)運(yùn)動過程中損失的熱量，后來在熱力學(xué)第二定律中被熵取代。

熱力學(xué)之父薩迪·卡諾。

1850年，德國物理學(xué)家魯?shù)婪蚩藙谛匏固岢隹藙谛匏孤暶?，稱“熱量通常不能自發(fā)地從較低溫度的材料流向較高溫度的材料”。大約在同一時(shí)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(huán)過程中完全轉(zhuǎn)換熱量[不損失能量]?！?這兩個(gè)陳述繼續(xù)形成了熱力學(xué)第一和第二定律的基礎(chǔ)。熱力學(xué)第三定律后來由德國化學(xué)家Walther Nernst開發(fā)，通常被稱為 Nernst 定理。

開爾文勛爵，熱力學(xué)定律背后的偉大思想家之一。

環(huán)顧四周，看看這個(gè)令人驚嘆的運(yùn)動能量世界，你會看到熱力學(xué)定律在起作用。無論是在將食物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為身體可用能量的過程中，還是在汽車或飛機(jī)中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動能的過程中。熱力學(xué)是一種生活方式。您甚至?xí)谀碾娮釉O(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)定律。像基爾霍夫電流定律這樣的原理與熱力學(xué)第一定律完全一致，指出進(jìn)入一組節(jié)點(diǎn)的電流必須出來，就像能量不能被創(chuàng)造或摧毀，只能被轉(zhuǎn)化。對于熱力學(xué)第二定律，我們在電路中觀察到塞貝克效應(yīng)，加熱的電子器件將流向較冷的導(dǎo)體，并在此過程中在電路中產(chǎn)生電流。在這里，我們有熵在起作用，無論它走到哪里，都會產(chǎn)生越來越多的無序狀態(tài)。

無論你在設(shè)計(jì)什么，你都在根據(jù)熱力學(xué)定律進(jìn)行設(shè)計(jì)。將這些原則付諸實(shí)踐