热力学三大定律内容及公式

我们先聊聊一个听起来有点奇怪的“第零定律”。对，你没看错，是零，不是一。它之所以叫第零，是因为这个定律是在第一和第二定律被提出来之后才被正式确立的。但大家发现，它的逻辑地位其实在第一和第二定律之前，是它们的基础，所以就给了它一个“第零”的编号。

这个定律的内容很简单：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也彼此处于热平衡状态。

说人话就是：如果物体A和物体B的温度一样，物体B和物体C的温度也一样，那么物体A和物体C的温度肯定也是一样的。

这听起来像是一句废话，但它其实是所有温度测量的基础。我们用的温度计，就是那个“第三个系统”。当你用温度计测你的体温，显示37℃，这说明你和温度计达到了热平衡。然后你用同一个温度计去测另一个人的体温，也显示37℃，说明那个人也和温度计达到了热平衡。根据第零定律，我们就能得出结论：你和那个人的体温是一样的。没有这个基本共识，温度计就失去了意义。

所以，热力学第零定律没有复杂的公式，它是一个基本公理，确保了“温度”这个概念是可以被准确、一致地测量的。

接下来是第一定律，这个就好理解多了。

热力学第一定律，本质上就是能量守恒定律在热现象中的具体表现。它说的是，能量不能被凭空创造，也不能被凭空消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。

它的核心公式是：ΔU = Q + W

我们来拆解一下这个公式里的每个字母：

• ΔU：代表系统内能的变化量。你可以把“内能”想象成一个系统内部所有微观粒子动能和势能的总和。简单说，就是系统内部储存的总能量。ΔU为正，表示内能增加；为负，表示内能减少。
• Q：代表系统从外界吸收的热量。如果系统吸热，Q就是正值；如果系统放热，Q就是负值。比如你烧一壶水，水就是系统，你给它加热，Q就是正的。
• W：代表外界对系统做的功。这一点需要特别注意，不同的教材或领域对W的定义可能相反。在物理学中，通常定义W为外界对系统做的功。如果外界对系统做功（比如你压缩一个气球），W就是正值，因为你把能量输入了系统。如果系统对外界做功（比如气球膨胀，推开了周围的空气），W就是负值，因为系统消耗了能量。

所以，这个公式的意思是：一个系统内能的增加量，等于它吸收的热量加上外界对它做的功。

举个例子。你饿了，吃了一碗饭。这碗饭的化学能就是你这个“系统”吸收的“热量”Q。然后你去跑步，你的身体消耗能量，对外界（比如地面）做了功，所以W是负值。你身体内储存的能量ΔU就发生了变化。这就是一个典型的能量转化过程。第一定律保证了，你消耗的能量，加上你身体发出的热量，和你吃进去的能量，总量是守恒的。

然后，我们来看最重要，也最容易让人困惑的第二定律。

热力学第二定律指出了自然过程的方向性。第一定律只管能量守恒，但它没说能量会往哪个方向跑。比如，一杯热水放在房间里，它会自己变凉，热量从水传到空气中。这个过程符合第一定律。但你从来没见过一杯凉水放在房间里，自己吸收空气中的热量变成热水。虽然能量也守恒，但这事就是不会发生。第二定律就是用来解释“为什么不会发生”的。

第二定律有好几种表述方式，但它们都指向同一个核心概念：熵（S）。

熵，简单理解，就是系统混乱程度的度量。一个系统越混乱、越无序，它的熵就越高。反之，越有序，熵就越低。

第二定律的一个核心表述是：在一个孤立的系统中，总熵永不减少。也就是说，ΔS ≥ 0。

这意味着，任何自发进行的过程，都会朝着熵增加的方向发展。混乱是宇宙的大趋势。

为什么？这其实是个概率问题。一个整齐的房间（低熵状态）只有一种或几种特定的排列方式。但一个混乱的房间（高熵状态）可以有无数种排列方式。从概率上讲，事物自然而然就会滑向可能性更多的那个状态，也就是混乱的状态。你的房间总是自己变乱，就是热力-学第二定律在生活中的体现。你需要花费额外的能量（做功）去整理它，才能让它暂时回到低熵状态。但你整理房间这个行为本身，比如你身体新陈代谢、发热，又在更大的范围内（你和你房间组成的系统）增加了总的熵。

所以，第二定律告诉我们几件事：
1. 热量会自发地从高温物体传向低温物体。这是因为热量均匀散开的状态，比集中在一点的状态，熵更高。
2. 不可能制造出一种“第二类永动机”。这种机器试图从单一热源吸收热量，并将这些热量完全转化为功，而不产生其他任何影响。这会造成熵的减少，所以是不可能的。汽车发动机需要一个高温热源（燃烧室）和一个低温热源（环境空气）才能工作，它无法把吸收的热量100%变成驱动车轮的功，总有一部分会以废热的形式排掉。

公式上，除了ΔS ≥ 0（孤立系统），还有一个具体的计算公式：ΔS = Q/T。它描述的是在可逆过程中，系统熵的改变等于吸收的热量Q除以当时的温度T。

最后是第三定律。

热力学第三定律是关于绝对零度的。绝对零度（0开尔文，约等于-273.15摄氏度）是温度的理论下限。

第三定律的内容是：绝对零度不可能达到。你可以无限接近，但永远无法抵达。

它的另一种表述是：当系统的温度趋近于绝对零度时，其熵也趋近于一个常数。对于一个完美的晶体，这个常数是零。

公式表达就是：当 T → 0 K 时, S → 0。

这怎么理解？我们知道，温度是物体内部分子运动剧烈程度的标志。温度越高，分子运动越剧烈，越混乱，熵越高。当温度降到绝对零度时，理论上所有分子的运动都停止了（除了量子力学里的零点能），它们都被固定在了晶格的最完美、最有序的位置上。这时，系统的混乱度降到了最低，只有一种排列方式，所以熵为零。

第三定律说你永远到不了这个点，是因为你每次想给一个系统降温，都得从它身上抽走热量。但系统温度越低，就越难再从中抽出热量。就像挤一块湿毛巾，你总能挤出点水，但永远不可能把最后一个水分子也挤出来。所以，绝对零度是一个只能无限逼近的极限。