理想气体的内能与什么有关(理想气体的内能是什么)

封面新闻记者吴宇佳

为什么孤立系统的熵不减少？热力学温标与理想气体温标是否一致能否用热力学第二定律推导出理想气体的物态方程？7月17日，福克斯创始人、董事长兼CEO张朝阳从温度定义的起源延伸到热力学第一定律，再从热能利用率的极限引入热力学第二定律，然后将热力学温标和熵定义为状态函数，最后借助热力学第二定律和理想气体压强与内能的关系推导出理想气体的状态方程，从而证明热力学温标和理想气体温标的一致性。

张朝阳首先介绍了热力学第零定律，本质上是热平衡关系的传递性。假设系统A和系统C达到热平衡，系统B也和系统C达到热平衡，那么所有系统A和B也满足热平衡关系，这就是热力学第零定律。既然系统之间可以存在热平衡，那么就必须有一个参数来描述热平衡，这个参数在物理上叫做温度。根据理想气体的经验定律，可以定义温标使得理想气体的物态方程为PV=NkT，其中k为玻尔兹曼常数，t为理想气体温标下的温度。

在介绍了热力学第零定律和理想气体温标后，张朝阳讲解了热力学第一定律。热力学第一定律本质上是能量守恒定律。热本质上是一种能量。热力学第一定律是指系统内能的增量等于引入系统的热量减去系统所做的功，这就意味着能量守恒。

热力学第一定律说明了能量守恒定律的普适性，那么我们能否将环境中的热量转化为我们需要的能量形式呢？如果可以，那么人类将在不违反热力学第一定律的情况下获得源源不断的能量。但是，热量转化为有用功是有限度的，这是热力学第二定律的内容。

张朝阳说，热力学第二定律的表达式有很多，其中克劳修斯表达式和开尔文表达式最为著名。克劳修斯陈述“热量不能从低温物体传递到高温物体而没有其他影响”；开尔文的说法是，“你不可能从一个单一的热源吸收热量，使这个热量变成有用功，而没有其他作用”。

如果有两个热源，一个是高温热源，一个是低温热源。热机从高温热源吸收热量，然后转化为能量，释放一部分热量给低温热源。这种热机的效率是有上限的。借助可逆热机和热力学第二定律的开尔文表达式，可以证明可逆热机的效率最大。

在两个热源之间工作的可逆热机的效率只与热源的温度有关，而与可逆热机的内部原理无关。根据这一性质，张朝阳证明了存在一个热力学温标，使得在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的可逆热机的效率为1-T2/T1。借助于可逆热机，热力学温标只能确定到差值为常数的程度。

然后通过用一系列无穷小的卡诺循环来近似任意可逆循环过程，可以证明对于连接状态A和状态b的任意路径，dQ/T的积分都是定值，据此引入状态函数S，也就是常说的熵。熵变化等于dQ/T的积分只适用于可逆过程，不适用于不可逆过程。但由于熵是一个状态函数，不可逆过程引起的熵的变化，可以用可逆过程连接两个特定的状态来得到。

以理想气体的自由膨胀为例，可以通过等温膨胀过程将自由膨胀的初态和末态联系起来，计算出理想气体自由膨胀的熵增量。得到这个熵增量后，分析状态数与熵的关系，改变状态数可以得到相同的熵增量公式。

随后，张朝阳开始证明热力学温标和理想气体温标的等价性。他首先阐述了理想气体的性质。第一，理想气体的内能只与温度有关。第二，由理想气体的分子动力学理论导出的压强与分子平均动能的公式成正比。根据这两个关系，借助热力学温标和热力学第二定律，可以导出理想气体的物态方程，从而证明热力学温标和理想气体温标的等价性。

最后，张朝阳介绍了温室效应的原理。太阳光近似为温度为5800开尔文的黑体辐射出的光，其中作为主体的可见部分很容易穿透大气。一部分阳光到达地面时会被反射，其余的会被地球吸收。地球表面温度约为20-50摄氏度，所以地球会向外辐射，但辐射波长很长，对大气中的二氧化碳等温室气体不透明，会导致地球无法有效散热。这就是温室效应。温室效应可以保证地球的昼夜温差不会太大，但是温室气体太多就会使地球无法有效散热，导致地球温度过高。

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