主题：【讨论】热力学, 熵, 和资本主义条件下的个人博弈 (1) -- 晓兵

爱因斯坦: “熵理论对于整个科学来说是第一法则”

大量大规模的不同能级别的分子运动，过程中的能量分配和再分配， 和现代资本主义市场经济， 尤其是金融经济, 金融市场， 很类似。

“熵”理论在其他社会领域的借鉴也已经有很多讨论。

本“熵”系列关心的重点， 是“熵”理论对于个人在资本主义社会各种竟争中， 在哲学, 思想意识， 战略战术方面可能带来的启发。

以下为热力学简介 (ZT)

“物质在发生化学反应时都要先破坏原有的化学键，这样就需要一定的能量，这个能量称为势垒。在化学反应中，一旦物质吸收了足够的能量，那么它就能够克服这个势垒，原有化学键断裂，到达一种极不稳定的高能状态。在高能态下的物质会自发的放出能量，重新形成低能的物质。这时，高能态的物质就可能有多种释放能量的方式，形成不同的低能物质，可能重新形成反应物，也有可能得到生成物，这就是化学平衡的产生。因为反应过程中物质中间状态的能量既高于反应物，也高于生成物，所以生成物能够稳定存在。

一般来说能量越低的状态越稳定，这是自然界的普遍规律。物质的键能就是破坏化学键所需提供的能量，也就是我上文说的势垒，化学键的键能和化学能是两个概念，并不能等同。

键能越低的物质越不稳定，其化学能就越高，因为它很容易释放能量，最典型的例子就是炸药。无机化学。

thermodynamics

热学的宏观理论，是从能量转化的观点研究物质的热性质，阐明能量从一种形式转换为另一种形式时应遵循的宏观规律。热力学是根据实验结果综合整理而成的系统理论，它不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，也不涉及特殊物质的具体性质，是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。

热力学的完整理论体系是由几个基本定律以及相应的基本状态函数构成的，这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的。无论多少个物体互相接触都能达到热平衡，并且如果A物体同时与B、C两物体处于平衡态，则B、C两物体接触时也一定处于平衡态而不发生新的变化，这一热平衡规律称为热力学第零定律。由此可以引入一个状态函数温度，温度是判定一系统是否与其他系统互为热平衡的标志。热力学第一定律就是能量守恒定律，是后者在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。描述系统热运动能量的状态函数是内能。通过作功、传热，系统与外界交换能量，内能改变 。热力学第二定律指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。相应的态函数是熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向，熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。热力学第三定律指出绝对零度是不可能达到的。上述热力学定律以及三个基本状态函数温度、内能和熵构成了完整的热力学理论体系。为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，还引入了一些辅助的态函数，如焓、亥姆霍兹函数（自由能）、吉布斯函数等。

从热力学的基本定律出发，应用这些态函数，经过数学推演得到系统平衡态的各种特性的相互联系，这就是热力学的方法，也是热力学的基本内容。热力学理论是普遍性的理论，对一切物质都适用，这是它的特点。在涉及某种特殊物质的具体性质时，需要把热力学的一般关系与相应的特殊规律结合起来。例如讨论理想气体时，需要利用理想气体的状态方程，等等。平衡态的热力学理论已经相当完善，并且得到了广泛的应用。

在自然界中，处于非平衡态的热力学系统（物理的，化学的，生物的）和不可逆的热力学过程是大量存在的，并且和许多重要现象有关。非平衡态热力学和不可逆过程热力学是正在发展的一个重要领域。见不可逆过程热力学。

http://www.dahesj.com/jiaoan/gzja/gzwl/gewl/200801/11861.html

第1节 功和内能

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1．知道什么是绝热过程。

2．从热力学的角度认识内能的概念。

3．理解做功与内能改变的数量关系。

4．知道内能和功的单位是相同的。

诱思导学

1．绝热过程：物质系统与外界没有热量交换的情况下进行的物理过程。

即系统不从外界吸收热量，也不向外界放出热量。

2．功与系统内能改变的关系。

做功可以改变系统的内能。

①外界对系统做功，系统的内能增加

在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功

即ΔU=U2-U1=W

②系统对外界做功，系统的内能减少。

在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少

即W=-ΔU

3．功是系统内能转化的量度。

4．在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳( J )。

典例探究

例1 下列哪个实例说明做功改变了系统的内能

A.用热水袋取暖 B.用双手摩擦给手取暖

C.把手放在火炉旁取暖 D.用嘴对手呵气给手取暖

解析：双手摩擦做功，使手的内能增加，感到暖和；A、C、D都是通过热传递来改变系统的内能。选项B正确。

答案：B

友情提示：注意分清做功和热传递两个过程的不同

例2 一个系统内能增加了20J。如果系统与周围环境不发生热交换，周围环境需要对系统做多少功？

解析：由功与系统内能改变的关系，则W=ΔU=20J

答案：20J

友情提示：注意功与内能改变的关系。

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1．解析：在分子动理论中，系统中所有分子热运动动能和分子间相互作用的分子势能的总和，叫做系统的内能；在热力学中，存在一个只与依赖于系统自身状态的物理量，由于这个物理量在两个状态之间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系，而功是能量转化的量度，我们把这个物理量称为系统的内能。

由于在绝热过程中对系统做功，系统的温度、体积等状态就要发生变化，所有分子热运动的动能和分子间相互作用的分子势能就要发生变化，系统的内能就要发生变化，因此分子动理论是从微观的角度来定义内能，热力学是从宏观的角度来定义内能，但两者是一致的。

2．解析：如钻木取火；用铁锉来锉工件，工件和铁锉都会变热；用铁锤来打击铁块，铁锤和铁块都会变热等都说明做功可以改变系统的内能。

3．解析：在图10.1-2中，是机械能转化为内能；在图10.1-3中，是电能转化为内能。

4．解析：气体在真空中绝热膨胀时对外界不做功。

气体在空气中绝热膨胀时对外界做功。做功所需的能量来源于气体原来储存的内能

基础训练

1．下列实例中，属于做功来增加物体内能的是 （ ）

A.铁棒放在炉子里被烧红 B.锯条锯木头时会发热

C.古时候的猿人钻木取火 D.冬天在阳光下取暖

2．下列现象属于用做功的方法改变系统内能的是 （ ）

A.放在火炉边的物体温度升高了

B.把一杯热水放在冷水中冷却

C.用铁锤锻打工件，工件会发热

D.拉弯的弓把箭射出去

3．下列过程中，由于做功而使系统内能增加的是 （ ）

A.把铁丝反复弯曲，弯曲处温度升高

B.烧开水时，蒸汽将壶盖顶起

C.铁块在火炉中被加热

D.铁球从空中自由下落（不计空气阻力）

4．用下列方法改变物体的内能，属于做功方式的是　( )

A.搓搓手会感到手暖和些 B.汽油机气缸内被压缩的气体

C.车刀切下的炽热的铁屑 D.物体在阳光下被晒热

多维链接

1．用打气筒打气时，过一会筒壁会热起来，这是为什么？

解析：打气时活塞压缩空气做功，使筒内空气内能增加，温度升高；同时克服活塞与筒壁间的摩擦做功也使筒壁内能增加，温度升高。

2．焦耳与热力学

焦耳，英国物理学家。出身于曼彻斯特附近索尔福一个啤酒厂主家庭。青年时经常用业余时间进行有关电的、化学的相互作用和机械作用之间联系的实验，并得到化学家道尔顿的鼓励和支持。焦耳的贡献主要有三个方面。①首先研究了电流的热效应，指出导体中一定时间所生成的热量与导体的电阻及电流平方之积成正比。由于不久楞次也独立地发现了同样的规律，所以被称为焦耳——楞次定律②从1840~1879年用了近40年的时间钻研和测定了热量与机械功的当量关系，最后得到的热功当量数值是1卡=4.2焦耳。焦耳的实验工作以大量确凿的证据否定了热质说，为能量守恒与转化定律奠定了实验基础，因此焦耳是能量守恒与转化定律的发现者之一。③为了研究气体的内能，焦耳于1845年做了焦耳气体自由膨胀实验。发现一般气体的内能是温度和体积的函数，而理想气体的内能仅仅是温度的函数，与体积无关。为了纪念焦耳对科学发展的贡献，国际计量大会将能量、功、热量的单位命名为焦耳。

3.课本P62“做一做”

提示：研究对象是瓶内被封闭的气体；在瓶塞跳出的过程中，系统对外界做功；这个过程中系统的内能减少；从瓶塞跳出获得动能可以推断出它的内能减少。

第2节 热和内能

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1．知道热传递的三种方式。

2．理解热传递是改变系统内能的一种方式。

3．知道传递的热量与内能变化的关系。

4．知道热传递与做功对改变系统的内能是等效的。

诱思导学

1．热传递

①热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫做热传递。

②热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。

2．热传递的实质：

热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。

3．传递的热量与内能改变的关系

①在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少。即ΔU= Q吸

②在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即Q放= -ΔU

4．热传递具有方向性，热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发的从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。

5．改变系统内能的两种方式：做功和热传递。

做功和热传递都能改变系统的内能，这两种方式是等效的，都能引起系统内能的改变，但是它们还是有重要区别的。

做功是系统内能与其它形式的能之间发生转化，而热传递只是不同物体（或物体不同部分）之间内能的转移。

典例探究

例1 如果铁丝的温度升高了，则（ ）

A.铁丝一定吸收了热量 B.铁丝一定放出了热量

C.外界可能对铁丝做功 D.外界一定对铁丝做功

解析：做功和热传递对改变物体的内能是等效的，温度升高可能是做功，也可能是热传递。故C正确。

答案：C

友情提示：铁丝的温度升高从结果我们无法判断是哪种方式改变了内能，因为做功和热传递对改变物体的内能是等效的。

例2 下列关于热量的说法，正确的是 （ ）

A.温度高的物体含有的热量多

B.内能多的物体含有的热量多

C.热量、功和内能的单位相同

D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量

解析：热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同都是焦耳。选C、D

答案：C、D

友情提示：注意区分状态量与过程量的不同特点

　例3 有一个10m高的瀑布，水流在瀑布顶端时速度为2m/s，在瀑布底与岩石的撞击过程中，有10%的动能转化为水的内能，请问水的温度上升了多少摄氏度？已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃) ，g取10m/s2 .

解：根据机械能守恒定律知，当水流到达瀑布底时的动能

　　水吸收热量 与温度变化 满足关系

　　由题意知，有10%的动能转化为水的内能，所以

代入数据得： ℃

友情提示：搞清能量转化的物理情景及转化过程中的数量关系，从而由能量守恒定律来列方程求解。

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1．解：（1）内能增加（2）内能减少

2．解：设增加的内能为ΔE

　　　由能量守恒定律有：ΔE＝ΔEk= mv2-0 ①

ΔE＝c m Δt ②

①②联立并代入数值得：Δt=123℃

基础训练

1．下面关于机械能和内能的说法正确的是 ( )

A.机械能大的物体，内能一定也大

B.物体做加速运动时，速度越大，物体内部分子平均动能一定增大

C.物体降温时，其机械能一定减少

D.摩擦生热是机械能向内能的转化

2．下列现象中，哪些是通过热传递的方式改变物体内能的 （ ）

A.打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加

B.夏天喝冰镇汽水来解暑

C.冬天搓搓手，会感觉到手变得暖和起来

D.太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高

3．做功和热传递是等效的，这里指的是 （ ）

A.它们能使物体改变相同的温度

B.它们能使物体增加相同的热量

C.它们能使物体改变相同的内能

D.它们本质上是相同的

4．关于物体的内能，以下说法正确的是 （ ）

A.物体的内能是由物体的状态（温度和体积）决定的

B.物体的内能就是物体里所有分子的动能的总和

C.物体内能的大小可以用物体吸热和放热的多少来量度

D.做功和热传递，对改变物体的内能是等效的

5．对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是 （ ）

A.热量、功、内能三个量的物理意义是等同的

B.热量和功二者可作为物体内能的量度

C.热量、功和内能的国际单位都相同

D.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的

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1．热传递的三种形式：

①热传导：不借助于物质的宏观移动，而靠分子、原子等粒子的热运动，使能量由高温物体（或物体的高温部分）向低温物体（或物体的低温部分）传递的过程，这种过程在气体、液体和固体中都能发生。

②热对流：流体依靠宏观流动而实现热传递的过程，在对流过程中伴随着大量分子的定向运动。热对流又分自然对流和强迫对流。自然对流——当流体内部存在温度梯度，进而出现密度梯度时，高温处流体的密度—般小于低温处（水在0～4oC 时的反常膨胀现象除外），这时如果流体的密度由小到大对应空间位置的由低到高，在重力作用下，流体便开始作宏观的定向流动，密度小处温度较高的流体向上运动，而温度低处密度较大的流体填充过来，行成了流体的对流，从而使能量从高温处向低温处传递。强迫对流——靠外来的作用使流体在高温处与低温处之间作循环流动而传递热量的过程，例如制冷系统内工作物质的循环流动就是靠压缩机的工作强迫实现的。

③热辐射：不依赖于物质的接触而由热源自身的温度作用借助电磁波传递能量的方式。温度的高低决定着辐射的强弱。温度较低时，主要以不可见的红外线进行辐射，温度较高时，热辐射最强的成分在可见光区。如太阳就是通过热辐射的形式将热经宇宙空间传给地球的。

2．正确理解物体的内能

物体内所有分子做无规则热运动的动能和分子势能的总和叫物体的内能。

①从微观角度看，由于分子的平均动能与分子热运动的激烈程度有关，分子势能与分子距离有关，所以物体的内能与分子热运动的激烈程度和距离有关；需要注意的是：物体的内能不是指单个分子的动能和势能之和，因此物体的内能还与物体内的分子数有关，分子数目越多，物体的内能越大。

②从宏观角度看，由于分子的平均动能与温度有关，分子势能与物体的体积有关，所以物体的内能与物体的温度和体积有关，另外，物体内的分子数取决于物质的摩尔数，所以物体的内能还跟摩尔数有关。

③内能与机械能的区别：内能与机械能是两种不同形式的能量。内能是由物体内大量分子的热运动和分子间的相对位置决定的能量，这与物体的温度、体积等因素有关，而机械能是由物体做机械运动和物体的形变决定的能量，它是对宏观物体整体来说的，物体具有内能的同时又可以具有机械能。一个静止在地面上的物体，如果以地面为零势能面，那么物体的机械能为零，但是这个物体内的分子却始终处在永不停息的热运动中，所以它的内能绝不为零，内能和机械能在一定的条件下可以相互转化。

3．热量、功和内能之间的关系

内能是由系统的状态决定的。状态确定了，系统的内能也随之确定，要使内能改变，可以通过做功和热传递两种物理过程来完成，功和热量都是过程量，两者对改变系统的内能是等效的，但做功是其它形式的能量转化为内能，功的多少是内能转化的量度，热传递是内能的转移；热量是内能转移的量度；有过程(做功或热传递)，才有变化(内能改变)，离开过程，功和热量将毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“功”和“热量”。因此不能说物体中含有“多少热量”或“多少功”。