热传递过程的微观本质
热传递过程的微观本质[20191211095701]
摘要
传热是在自然界中最普遍存在的现象，它是改变内能的一种方式，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者说是温度从物体的高温部分传到低温部分的过程。只要物体之间或者物体的不同部位之间存在温度差，就会发生热传递现象，直到物体之间或者物体不同部位之间的温差为零。发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体是否接触以及物体的状态无关。在生产生活中关于热传递的运用有很多,所以说对热传递的研究具有十分重要的意义。系统从外界吸收热量，在宏观上就表现为热传递，对于热传递的宏观研究很多，但是从统计角度研究的比较少，本文就将从热力学第一定律出发，用不同的角度从微观上来阐述热传递现象。
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关键字:热传递热力学第一定律熵热量
目录
1. 引言1
1.1 热力学与统计物理的概要2
1.2 论述热传递现象的过程和方法7
1.3 熵的表述与推导8
2. 热力学四大定律9
2.1热力学第一定律的建立及表述9
2.2热力学其它三大定律的内容9
2.2.1 热力学第零定律10
2.2.2 热力学第二定律12
2.2.3 热力学第三定律12
3. 微观状态处理热传递现象9
3.1 运用玻尔兹曼系统处理14
3.2 运用波色系统处理17
3.3 运用费米系统处理17
结语104
参考文献106
致谢107
引言
1.1热力学与统计物理的概要
我们日常生活中接触的所有物体都是由大量的微观粒子构成的。这些微观粒子不是静止不动的而是不停地进行着无规则的运动。人们把大量微观粒子的无规则运动称作物质的热运动。热力学与统计物理学的研究对象即为大量微观粒子组成的热力学系统的热运动 。热力学与统计物理学的任务是：研究热运动的规律，研究与热运动有关的物体性质以及宏观物质系统的演化。研究热运动的规律在实际运用中具有重要作用。统计物理学的研究，根据宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，从物质的微观结构出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子热运动的集体表现，宏观物理量是相应的微观量的统计平均值，即由物质微观结构（微观粒子及其相互作用，粒子能级结构等粒子及系统的微观结构性质），按照系统的统计分布规律进行统计平均得到系统的统计微观量的统计平均值。由于统计物理学深入到热运动的本质，他就能够把热力学中三个互相独立的基本规律归结于一个基本的统计原理，阐明这三个定律的统计意义，还可以解释涨落现象。除此以外，在对物质的微观结构做出某些假设之后，应用统计物理学理论还可以求得具体物质的性质，并阐明产生这些特性的微观原理。
温度的本质是大量分子的无规则热运动状态，热的本质是分子热运动的传递。自然界中发生热传递的现象非常普遍并且具有十分重要的意义。学者们对于热力学方面问题的研究虽然很多很广，但是从微观统计角度对热传递的研究却是少之又少，本课题就将从物质的微观结构以及热力学公式出发研究热传递的统计解释。
1.2论述热传递的过程和方法
在热传递过程中，物质并未发生迁移，只是热量从高温物体中放出，致使温度降低，内能减少（确切的说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是能量从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。这里要强调一下热传递转移的是热量，而不是温度。热传递是通过三种方式来实现分别为热传导，热对流和热辐射。在实际的热传递过程中，这三种方式往往不是单独进行的。热传导是由大量分子、原子等相互碰撞，使物体的内能从温度较高部分传至较低部分的过程。热传导是固体热传递的主要方式，在气体和液体中，热传导一般与对流同时进行。各种物质热传导的性能不同，金属较好，玻璃、羽毛、毛皮等很差。对流是靠液体或气体的流动，使内能从温度较高部分传至较低部分的过程，对流是液体和气体热传递的主要方式，气体的对流比液体明显。热辐射是物体不依靠介质，直接将能量发射出来，传给其他物体的过程。热辐射是远距离传递能量的主要方式，如太阳能就是以热辐射的形式，将热量经过宇宙空间传给地球的。
1.3熵的表述与推导
1850年克劳修斯引进状态函数S，它由式dS=dQ/T通过在温度T时可逆过程所吸收的热来定义。熵概念的提出在人类的发展史熵是一个极其重要的里程碑，熵到现在为止已经涉及到了所有的科学领域，在今天的天文学、地理学、数学、物理、化学、生物学、社会学等领域都从不同的角度提出了熵的概念及原理问题，并且在很大程度用到了熵，所以说熵具有极其重要的作用。作为状态函数，熵在每个平衡态都有确定的意义，它和过程无关。熵是广延量是一个反映系统内部特征的量。从统计物理学的观点看，熵是系统中微观粒子无规则运动的混乱程度的度量。熵具有几个性质：1、熵是态函数，与过程无关2、熵变的计算方法，在相同的初态和末态之间只要任意设计一个使计算方便的可逆过程来代替原来的不可逆过程即可求得此两态间的熵变3系统经可逆绝热过程后熵不变，经不可逆绝热过程后熵增加，在绝热条件下熵减小的过程是不可能实现的，这是熵增加原理。熵的物理意义：与非平衡态相比，平衡态体系内微观粒子无规则运动的混乱程度更大，即仅当粒子无规则运动最乱最无序时，才能使体系内部各处的温度、密度等等性质达到均匀一致，一致最后趋向于平衡态。所以孤立系由非平衡态趋向平衡态的过程，即熵增加的过程，也正是体系内微观粒子无规则运动由不太乱变得更加乱的过程，由此可见，熵的物理意义在微观上正是分子无规则运动混乱程度的量度。
2.热力学四大定律
2.1 热力学第一定律的建立及其表述
18世纪末到19世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发现，广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。1840年彼得堡科学院的黑斯提出关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为另一组物质的过程中，不管反应是通过哪些步骤完成的，释放的总热量是恒定的。此外1801年关于紫外线的化学作用的发现，1839年用光照金属极板改变电池的电动势的发现；1845年光的偏振面的磁致偏转现象的发现等等，都从不同侧面揭示了各种自然现象之间的联系和转化。尤其是蒸汽机的发明更是带来了整个时代的变革，随着蒸汽机在生产生活中的广泛应用，人们越来越多的关注热和功的转化问题。正是在这种历史条件下，热力学应运而生。德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。德国物理学家、医生迈尔：德国物理学家、医生迈尔（JuliuRobert?Mayer，1814～1878）1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。不过当时这篇杰作未受到重视。焦耳一生致力于钻研和测定热功当量，建立了大量可靠的实验数据和资料，使得能量转化与守恒定律得以巩固建立。
热力学第一定律即为能量转化和守恒定律：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。
以前人们幻想着能够制造出一种机器，这种机器不需要任何动力和燃料，却能不断的对外做功，这就是第一类永动机。根据能量转化与守恒定律，做功必须由能量转化而来，不能凭空创造出能量，所以这种永动机是不可能实现的。所以热力学第一定律还可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。
在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使系统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。而在热学中，媒质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部。内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态之间有一一对应的关系。
我们用绝热功定义内能，并就一般过程定义了热量。热力学第一定律是包括热量在内的能量守恒与转化定律。它表明，通过外界对系统做功W或加热量Q于体系，都能转化为体系的内能，式子为△U=Q+W,对于一个极微小的原过程有dU=dQ+dW。
我们规定：若W大于零，则外界对系统作功；若Q大于零，则系统从外界吸热。上式说明做功和传热都是能量交换的一种方式，而且这两个方式提供的能量应该等于系统内能的变化。显然，能量在转化中是守恒的。
2.2 热力学其他三大定律
热力学的研究通过对热现象的观测、实验和分析，总结出基本的经验规律，再而经过逻辑演绎推理，抽象出热运动的本质，得出热力学的基本规律（热力学第零、第一、第二和第三定律），由此揭示出系统宏观量之间的关系和宏观量的变化规律，及宏观物理过程中宏观量的变化关系及宏观热力学过程的进行方向和限度。统计物理学的研究，根据宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，从物质的微观结构出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子热运动的集体表现，宏观物理量是相应的微观量的统计平均值，即由物质微观结构（微观粒子及其相互作用，粒子能级结构等粒子及系统的微观结构性质），按照系统的统计分布规律进行统计评均得到系统的统计微观量的统计平均值。
热力学有四个基本定律，热力学第一定律已经在前面具体的展述过了，下面简单讲一下其他三大定律。
2.2.1 热力学第零定律
热力学第零定律也称热平衡定律，其定义为：如果两个热力学系统中的每一个系统都与第三个热力学系统处于热平衡，则他们彼此也必定处于热平衡状态。由热力学第零定律可以定义一个态函数温度，其重要意义是他给出了温度的定义和温度的测量方法。热力学第零定律还有一个表述为：处于热力学平衡状态的所有物质均具有某一共同的宏观物理性质。
2.2.2 热力学第二定律
热力学第二定律是热力学基本定律之一。它要解决的是与热现象有关的实际问题的方向问题，它是独立于热力学第一定律的另一个基本规律，热力学第二定律有两种最常见的经典表述，即克劳修斯表述和开尔文表述。克劳修斯表述为：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,这种说法，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这种转化是不可逆的；开尔文表述为：不可能从单一热源吸收热量使之完全成为有用的功而不引起其他变化，这种讲法指出，自然界中任何形式的能都可以变成热，但是反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变为其他形式的能，从而说明这种转变在自然条件下是不可逆的。热机能够连续不断的将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。
2.2.3 热力学第三定律
热力学第三定律是在低温现象的研究中得出的，是关于熵的论述，系统经可逆绝热过程后熵增加，在绝热条件下熵减少的过程是不可能实现的，孤立系统的熵永远不减少，其中发生的不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行的。以上就是热力学四大定律的内容及表述。
3.微观状态处理热传递现象
3.1 运用玻尔兹曼系统处理系统从外界吸收的热量
对于发生无限小的两个状态间的微元过程，系统内能的改变量、外界对系统做的功以及系统从外界吸收的热量之间的关系可以由热力学第一定律给出：dU=dW+dQ。一个由理想气体组成的封闭系统，该理想气体系统可以视为近独立粒子系统，宏观系统的内能是热力学系统中粒子无规则运动的总能量的统计平均值，设粒子的各能级为 ，每个能级上的粒子数为 ，所以内能可以表示为U= ，当系统发生一个微小的变化时，状态函数内能的变化量可以表示为全微分的形式：dU= + 。由此可以看出，引起系统内能变化的方式有两种，一种是在能级不变的情况下改变能级上的粒子数分布，另一种是在能级上粒子数分布不变的情况下改变系统的能级。由经典统计理论可以证明，前者是由于做功引起内能的变化后者是因为热传递引起内能的变化。
摘要
传热是在自然界中最普遍存在的现象，它是改变内能的一种方式，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者说是温度从物体的高温部分传到低温部分的过程。只要物体之间或者物体的不同部位之间存在温度差，就会发生热传递现象，直到物体之间或者物体不同部位之间的温差为零。发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体是否接触以及物体的状态无关。在生产生活中关于热传递的运用有很多,所以说对热传递的研究具有十分重要的意义。系统从外界吸收热量，在宏观上就表现为热传递，对于热传递的宏观研究很多，但是从统计角度研究的比较少，本文就将从热力学第一定律出发，用不同的角度从微观上来阐述热传递现象。
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关键字:热传递热力学第一定律熵热量
目录
1. 引言1
1.1 热力学与统计物理的概要2
1.2 论述热传递现象的过程和方法7
1.3 熵的表述与推导8
2. 热力学四大定律9
2.1热力学第一定律的建立及表述9
2.2热力学其它三大定律的内容9
2.2.1 热力学第零定律10
2.2.2 热力学第二定律12
2.2.3 热力学第三定律12
3. 微观状态处理热传递现象9
3.1 运用玻尔兹曼系统处理14
3.2 运用波色系统处理17
3.3 运用费米系统处理17
结语104
参考文献106
致谢107
引言
1.1热力学与统计物理的概要
我们日常生活中接触的所有物体都是由大量的微观粒子构成的。这些微观粒子不是静止不动的而是不停地进行着无规则的运动。人们把大量微观粒子的无规则运动称作物质的热运动。热力学与统计物理学的研究对象即为大量微观粒子组成的热力学系统的热运动 。热力学与统计物理学的任务是：研究热运动的规律，研究与热运动有关的物体性质以及宏观物质系统的演化。研究热运动的规律在实际运用中具有重要作用。统计物理学的研究，根据宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，从物质的微观结构出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子热运动的集体表现，宏观物理量是相应的微观量的统计平均值，即由物质微观结构（微观粒子及其相互作用，粒子能级结构等粒子及系统的微观结构性质），按照系统的统计分布规律进行统计平均得到系统的统计微观量的统计平均值。由于统计物理学深入到热运动的本质，他就能够把热力学中三个互相独立的基本规律归结于一个基本的统计原理，阐明这三个定律的统计意义，还可以解释涨落现象。除此以外，在对物质的微观结构做出某些假设之后，应用统计物理学理论还可以求得具体物质的性质，并阐明产生这些特性的微观原理。
温度的本质是大量分子的无规则热运动状态，热的本质是分子热运动的传递。自然界中发生热传递的现象非常普遍并且具有十分重要的意义。学者们对于热力学方面问题的研究虽然很多很广，但是从微观统计角度对热传递的研究却是少之又少，本课题就将从物质的微观结构以及热力学公式出发研究热传递的统计解释。
1.2论述热传递的过程和方法
在热传递过程中，物质并未发生迁移，只是热量从高温物体中放出，致使温度降低，内能减少（确切的说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是能量从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。这里要强调一下热传递转移的是热量，而不是温度。热传递是通过三种方式来实现分别为热传导，热对流和热辐射。在实际的热传递过程中，这三种方式往往不是单独进行的。热传导是由大量分子、原子等相互碰撞，使物体的内能从温度较高部分传至较低部分的过程。热传导是固体热传递的主要方式，在气体和液体中，热传导一般与对流同时进行。各种物质热传导的性能不同，金属较好，玻璃、羽毛、毛皮等很差。对流是靠液体或气体的流动，使内能从温度较高部分传至较低部分的过程，对流是液体和气体热传递的主要方式，气体的对流比液体明显。热辐射是物体不依靠介质，直接将能量发射出来，传给其他物体的过程。热辐射是远距离传递能量的主要方式，如太阳能就是以热辐射的形式，将热量经过宇宙空间传给地球的。
1.3熵的表述与推导
1850年克劳修斯引进状态函数S，它由式dS=dQ/T通过在温度T时可逆过程所吸收的热来定义。熵概念的提出在人类的发展史熵是一个极其重要的里程碑，熵到现在为止已经涉及到了所有的科学领域，在今天的天文学、地理学、数学、物理、化学、生物学、社会学等领域都从不同的角度提出了熵的概念及原理问题，并且在很大程度用到了熵，所以说熵具有极其重要的作用。作为状态函数，熵在每个平衡态都有确定的意义，它和过程无关。熵是广延量是一个反映系统内部特征的量。从统计物理学的观点看，熵是系统中微观粒子无规则运动的混乱程度的度量。熵具有几个性质：1、熵是态函数，与过程无关2、熵变的计算方法，在相同的初态和末态之间只要任意设计一个使计算方便的可逆过程来代替原来的不可逆过程即可求得此两态间的熵变3系统经可逆绝热过程后熵不变，经不可逆绝热过程后熵增加，在绝热条件下熵减小的过程是不可能实现的，这是熵增加原理。熵的物理意义：与非平衡态相比，平衡态体系内微观粒子无规则运动的混乱程度更大，即仅当粒子无规则运动最乱最无序时，才能使体系内部各处的温度、密度等等性质达到均匀一致，一致最后趋向于平衡态。所以孤立系由非平衡态趋向平衡态的过程，即熵增加的过程，也正是体系内微观粒子无规则运动由不太乱变得更加乱的过程，由此可见，熵的物理意义在微观上正是分子无规则运动混乱程度的量度。
2.热力学四大定律
2.1 热力学第一定律的建立及其表述
18世纪末到19世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发现，广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。1840年彼得堡科学院的黑斯提出关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为另一组物质的过程中，不管反应是通过哪些步骤完成的，释放的总热量是恒定的。此外1801年关于紫外线的化学作用的发现，1839年用光照金属极板改变电池的电动势的发现；1845年光的偏振面的磁致偏转现象的发现等等，都从不同侧面揭示了各种自然现象之间的联系和转化。尤其是蒸汽机的发明更是带来了整个时代的变革，随着蒸汽机在生产生活中的广泛应用，人们越来越多的关注热和功的转化问题。正是在这种历史条件下，热力学应运而生。德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。德国物理学家、医生迈尔：德国物理学家、医生迈尔（JuliuRobert?Mayer，1814～1878）1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。不过当时这篇杰作未受到重视。焦耳一生致力于钻研和测定热功当量，建立了大量可靠的实验数据和资料，使得能量转化与守恒定律得以巩固建立。
热力学第一定律即为能量转化和守恒定律：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。
以前人们幻想着能够制造出一种机器，这种机器不需要任何动力和燃料，却能不断的对外做功，这就是第一类永动机。根据能量转化与守恒定律，做功必须由能量转化而来，不能凭空创造出能量，所以这种永动机是不可能实现的。所以热力学第一定律还可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。
在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使系统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。而在热学中，媒质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部。内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态之间有一一对应的关系。
我们用绝热功定义内能，并就一般过程定义了热量。热力学第一定律是包括热量在内的能量守恒与转化定律。它表明，通过外界对系统做功W或加热量Q于体系，都能转化为体系的内能，式子为△U=Q+W,对于一个极微小的原过程有dU=dQ+dW。
我们规定：若W大于零，则外界对系统作功；若Q大于零，则系统从外界吸热。上式说明做功和传热都是能量交换的一种方式，而且这两个方式提供的能量应该等于系统内能的变化。显然，能量在转化中是守恒的。
2.2 热力学其他三大定律
热力学的研究通过对热现象的观测、实验和分析，总结出基本的经验规律，再而经过逻辑演绎推理，抽象出热运动的本质，得出热力学的基本规律（热力学第零、第一、第二和第三定律），由此揭示出系统宏观量之间的关系和宏观量的变化规律，及宏观物理过程中宏观量的变化关系及宏观热力学过程的进行方向和限度。统计物理学的研究，根据宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，从物质的微观结构出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子热运动的集体表现，宏观物理量是相应的微观量的统计平均值，即由物质微观结构（微观粒子及其相互作用，粒子能级结构等粒子及系统的微观结构性质），按照系统的统计分布规律进行统计评均得到系统的统计微观量的统计平均值。
热力学有四个基本定律，热力学第一定律已经在前面具体的展述过了，下面简单讲一下其他三大定律。
2.2.1 热力学第零定律
热力学第零定律也称热平衡定律，其定义为：如果两个热力学系统中的每一个系统都与第三个热力学系统处于热平衡，则他们彼此也必定处于热平衡状态。由热力学第零定律可以定义一个态函数温度，其重要意义是他给出了温度的定义和温度的测量方法。热力学第零定律还有一个表述为：处于热力学平衡状态的所有物质均具有某一共同的宏观物理性质。
2.2.2 热力学第二定律
热力学第二定律是热力学基本定律之一。它要解决的是与热现象有关的实际问题的方向问题，它是独立于热力学第一定律的另一个基本规律，热力学第二定律有两种最常见的经典表述，即克劳修斯表述和开尔文表述。克劳修斯表述为：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,这种说法，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这种转化是不可逆的；开尔文表述为：不可能从单一热源吸收热量使之完全成为有用的功而不引起其他变化，这种讲法指出，自然界中任何形式的能都可以变成热，但是反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变为其他形式的能，从而说明这种转变在自然条件下是不可逆的。热机能够连续不断的将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。
2.2.3 热力学第三定律
热力学第三定律是在低温现象的研究中得出的，是关于熵的论述，系统经可逆绝热过程后熵增加，在绝热条件下熵减少的过程是不可能实现的，孤立系统的熵永远不减少，其中发生的不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行的。以上就是热力学四大定律的内容及表述。
3.微观状态处理热传递现象
3.1 运用玻尔兹曼系统处理系统从外界吸收的热量
对于发生无限小的两个状态间的微元过程，系统内能的改变量、外界对系统做的功以及系统从外界吸收的热量之间的关系可以由热力学第一定律给出：dU=dW+dQ。一个由理想气体组成的封闭系统，该理想气体系统可以视为近独立粒子系统，宏观系统的内能是热力学系统中粒子无规则运动的总能量的统计平均值，设粒子的各能级为 ，每个能级上的粒子数为 ，所以内能可以表示为U= ，当系统发生一个微小的变化时，状态函数内能的变化量可以表示为全微分的形式：dU= + 。由此可以看出，引起系统内能变化的方式有两种，一种是在能级不变的情况下改变能级上的粒子数分布，另一种是在能级上粒子数分布不变的情况下改变系统的能级。由经典统计理论可以证明，前者是由于做功引起内能的变化后者是因为热传递引起内能的变化。
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