摘 要： 热力学基本定律是研究热功转化问题的理论基础, 在认识和学习热力学基本定律的同时了解热力学定律的起源和发展过程, 有助于理解热力学的内涵和精髓。本文简述了热力学四大定律的起源和发展历程, 并且从能量的角度, 阐述了热力学定律中内在的逻辑关系。
关键词： 热力学定律; 热力学史; 逻辑关系;
人类对于热能的利用可以追溯到远古时代，我们的祖先利用火来烧烤食物、制造工具、驱赶猛兽、驱寒取暖，这是对于热能的直接利用。随着时代的发展、工业技术的进步、人类生活生产的需要等因素的推动，人类对于热能的利用越来越广泛，从直接利用到间接利用，锅炉、蒸汽机、内燃机等热动力设备也应运而出。在科学和技术逐步发展的过程中，人们也在不断探索热现象的本质以及热功转化的机制，并从19世纪中叶到20世纪中叶先后建立热力学四大定律，确定了热力学是研究能量属性及其转换规律的一门科学。而热力学史作为一门学科史，其研究的基本对象就是热力学定律的起源和发展过程。
目前对于热力学史的研究主要集中于热力学基本定律的起源与发展、热力学相关科学家的生平介绍、热力学与生活生产的关系等几个方面。王竹溪[1]教授概述了热力学发展的几个主要阶段、热力学与生活生产的关系以及热力学发展和哲学思想的关系。张辉[2]等人简要概述了经典热力学在化工生产中的应用及其发展历程和存在的局限性。乃比江·买提吐米尔[3]等人主要讨论热力学的发展简史和热力学理论与其在热现象中的应用。本文将简述热力学四大定律的起源和发展历程，并且从能量的角度阐述了热力学定律之间的逻辑关系。
1、 热力学定律发展史概要
17世纪末，欧洲国家的采矿业迅速发展，虽然煤炭储量不少，但都储存于地下水位之下，当时人们使用的抽水机不能够解决煤矿渗水的问题。现实的需要导致了蒸汽机的发明。1698年英国人萨弗里（Thomas Savery, 1650～1715）首先发明了利用水蒸气来汲水的蒸汽泵。1712年英国人纽科门（Thomas Newcomen, 1663～1729）发明了带活塞装置的大气式蒸汽机。1763年英国的机械师瓦特（James Watt, 1736～1819）在纽科门发明的基础上，将冷凝器和汽缸分离开，减少了冷凝损失，提高了热机的热效率。但是纽科门、瓦特等人对于热机效率的改进只是基于试验，没有科学的理论基础，首先触及热机效率本质研究的是一位来自法国的科学家萨迪·卡诺[4]（Sadi Carnot, 1796～1832）。1824年卡诺在其发表的《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》一文中，提出了理想热机的可逆循环和卡诺定理。他认为热机必须工作于两个热源之间, 并且在功的产生过程中，必定有一部分热从高温热源传递到了低温热源。同时，卡诺还提出了理想热机的热效率极限值，这一观点为热功转化的极限问题提供了理论依据。但当时卡诺的研究并没有引起学界的广泛重视，直到热功当量被证实之后，学界才意识到卡诺的研究其实已经触及到了热力学第二定律的核心。
19世纪上半叶，科学的发展迎来了波澜壮阔的五十年。科学家们在机械运动领域、电磁学领域、热力学领域的研究都有很大的进展。1807年，英国科学家托马斯·扬 (Thomas Young, 1773～1829) 首次提出了能量的概念。1843年英国物理学家焦耳（James Prescott Joule, 1818～1889）提出了测量热功当量的方法。他利用重物作功使受压的水通过管的小孔喷出，因而使管口加热，此方法测得热功当量为770磅/卡。热功当量的证实极大推进了热力学的发展。1850年德国物理学家克劳修斯[5]（Rudolf Clausius, 1822～1888）在其发表的《论热的移动力及可能由此得出的热定律中》一文中。以焦耳的热功当量为实验基础，提出了热力学第一定律。同时克劳修斯在卡诺观点的基础上研究了能量转换的极限和方向问题，提出了热力学第二定律。随后的1851年，英国科学家开尔文勋爵 (William Thomson, 1824～1907) 在其发表的论文中也同时提出了热力学第一和第二定律。1853年，英国科学家朗肯（Rankine, 1820～1872年）把能量的概念运用到机械运动分析中提出了机械能守恒定律。紧接着1856年，开尔文勋爵以朗肯提出的机械能守恒定律为突破口，揭示了机械能与热能、电磁能、化学能等之间的转化关系，并最终提出能量守恒定律。
20世纪初，科学界正经历着巨大的变革和发展，量子力学的出现使得物理学的研究进入到了微观粒子的范畴。热力学也因此进入到了以微观粒子为视角的统计热力学领域。1906年德国科学家能斯特（Walther Nernst, 1864～1941）根据实验发现，化学反应温度越低，恒温反应熵变越小。因此他推论出在温度趋于绝对零度时，等温反应过程中体系的熵值不变。1912年，能斯特又提出绝对零度不可能达到原理：不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。绝对零度不可达到原理也被称为热力学第三定律。1939年，英国物理学家拉尔夫·福勒（Ralph Howard Fowler, 1889～1944）在其着作《统计热力学》中详细的研究了统计力学的平衡态理论和热力学之间的联系。并首次提出了热力学第零定律的表述：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡, 则它们彼此也必定处于热平衡。
2 、热力学定律的内在逻辑关系
热力学基本定律构成了热力学的理论基础。本文提出了一种观点，从能量的角度揭示了热力学四大基本定律之间的逻辑关系。热力学第一定律是能量守恒定律，在热功当量和分子运动论的基础上定义了内能的概念，指出在热功转化过程中应遵守能量守恒定律。热力学第二定律可理解为能质损耗定律，定义了熵的概念。热功转化应遵守能量守恒原理，但热量不能百分之百的转化为功量，热和功是两种不同品位的能量，在它们相互转化的时候，存在一定的损耗，这种损耗的程度被定义为熵。热力学第三定律可以被称为能量最大定律，热三律定义了绝对零度的概念。热二律表明，热功转换过程中一定存在损耗，那么此损耗的起点在什么地方呢？能斯特定义了绝对零度为损耗发生的起点，即在绝对零度时无损耗发生，热可以百分之百转化为功，此时系统的熵为零，系统分子表现为最大程度的有序状态，但同时能斯特又指出了绝对零度是不能到达的，即热不能百分之百的转化为功。最后，热力学第零定律可理解为能量表现定律，热零律定义了温度的概念，故热零律又被称作测温依据。宏观上温度的变化表现为系统能量的改变，即可能是做功也可能是热传递；微观上温度的变化是系统分子热运动剧烈程度的外在表现形式。热一、热二、热三律都和温度有着密切的联系，但那时并没有人去定义什么是温度，故在热三律提出之后，科学家认为温度这一概念的提出是热力学理论的基础，故将其称作热力学第零定律。
3 、结论
英国科学家查尔斯·珀西·斯诺 (C.P.Snow, 1905～1980) 在《两种文化与科学革命》一书中写道:“一位对热力学一无所知的人文学者和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕”。热力学在其三百多年的发展历程中，已经形成了一套完整的理论体系。并且随着工业的发展和科学技术的进步，热力学的研究范围已经涉及动力引擎、能源化工、航空航天、低温制冷等各个领域，然而地球上的矿物资源毕竟有限，如何提高热能的利用效率，仍将是一个世界性的学术问题，所以热力学的发展也并不会停止，人类对于热力学的深入研究也仍在继续。
参考文献
[1]王竹溪.热力学发展史概要[J].物理通报, 1962 (4) :145-151.
[2]张辉, 刘德磊, 曾莉莉, 等.经典热力学发展概述[J].广州化工, 2012, 40 (2) :26-28.
[3]乃比江·买提吐米尔, 买热木尼沙·库尔班.热力学发展简史研究[J].和田师范专科学校学报, 2006 (1) :172-173.
[4]袁运开, 戚越然.萨迪·卡诺——热力学的奠基者[J].自然杂志, 1983 (7) :545-549.
[5]WilliamH.Cropper, 郭振华.鲁道夫·克劳修斯与通向熵之路[J].大学物理, 1988 (12) :26-31.
[6]阎康年．热力学史[M]．济南:山东科学技术出版社, 1989:10-132
