热力学定律

热力学定律阐明了能量、热量和熵的普遍限制，这些限制独立于微观细节，支配着从蒸汽机到黑洞的每一个宏观系统。

Definition

热力学定律是一组以经验为基础的普遍原理，它们限制了宏观系统中能量的交换和转化，并定义了温度、内能和熵等状态函数。

Scope

该领域涵盖了经典热力学的四个基本定律：通过热平衡定义温度的第零定律；作为能量守恒定律的第一定律，其中热量和功是能量传递的形式；引入熵和自发过程方向性的第二定律；以及控制温度趋近绝对零度时熵行为的第三定律。这些定律的表述、它们的等效陈述（开尔文-普朗克、克劳修斯）以及它们对热机和效率的影响都包含在内，而从中导出的势函数和微观统计基础则在各自的领域中进行讨论。

Sub-topics

• 热力学第一定律与能量守恒
• 第二定律与熵
• 热力学第三定律与绝对零度
• 热力学第零定律与温度

Core questions

• 第零定律如何通过热平衡来一致地定义温度？
• 第一定律如何将热量和功视为改变内能的等效方式？
• 为什么第二定律通过熵的非递减性来规定时间的方向？
• 第三定律对绝对零度的可达性以及熵在该温度下的行为有何启示？

Key concepts

• 热平衡与经验温度
• 内能、热量与功
• 熵与不可逆性
• 热机、卡诺循环与效率
• 绝对零度与不可达原理

Key theories

第一定律（能量守恒）

封闭系统的内能仅通过系统吸收的热量或系统对外做的功而改变，即 dU = dQ - dW，从而确立了能量作为守恒状态函数。

第二定律与卡诺原理

任何循环过程都不能将热量完全转化为功；任何在两个热源之间运行的热机的最大效率由其温度决定，并且在孤立系统中熵永不减少。

Clinical relevance

热力学定律设定了所有发动机、冰箱和发电厂的效率极限，支撑着化学和生物能量学，并构成了关于时间之箭和物理系统最终命运的深刻问题。

History

源于卡诺1824年对热机的分析，热力学在19世纪50年代随着克劳修斯和开尔文提出第一和第二定律以及克劳修斯创造熵的概念而形成；能斯特在20世纪初补充了第三定律。

Key figures

• Sadi Carnot
• Rudolf Clausius
• William Thomson (Lord Kelvin)

Seminal works

• carnot1824
• callen1985
• fermi1956

Frequently asked questions

为什么称之为“第零”定律？

它在逻辑上优先于第一和第二定律，但直到它们被命名之后才被认识到，因此将其编号为零，以保持已确立的名称不变，同时承认它构成了温度定义的基础。

第二定律是否禁止局部熵减？

不。系统的一部分熵可以减少，例如冰箱冷却其内部时，前提是系统及其周围环境的总熵不减少。