1 引言
热物理学是整个物理学理论的四大柱石之一，热力学是热学理论的一个重要组成部分，也就是热现象的宏观理论。热力学主要是从宏观角度出发按能量转化的观点来研究物质的热性质，热现象和热现象所服从的规律。它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，具有高度的可靠性和普遍性，无论是在热力学理论中或在热工技术中，都有重要的作用。
通过对热现象的观测、实验、和分析，人们总结出热现象的基本规律，这就是热力学四大定律，这几个基本规律适用于一切宏观物质系统，是热力学的基本理论。热力学第零定律反映了热平衡的条件及热平衡规律，它引进了系统的态函数（状态参量）——温度.热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数——内能，而指出系统内所发生的热力学过程中的热量、内能和功之间的联系，热力学第二定律是在热力学第一定律（能量守恒定律）建立后不久建立起来的，它的建立与19世纪20年代卡诺对于热机的研究有着密切的关系。克劳修斯在1850 年发表的论文中提出，在热的理论中，除了能量守恒定律以外，还必须补充另外一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。”这条定律后来被称作热力学第二定律。第二年（1851 年）开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述方式，开尔文的表述在现代教科书中一般表述为：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其他影响。关于热力学第二定律的两种说法是等价的，它们都是关于自然界涉及热现象的宏观过程进行方向的规律。其实，热力学第二定律还可以有其他很多种不同的表述方式。热力学第三定律有几种表述方法，“绝对零度不能达到原理”便是其中一种。然而第三定律虽然指出绝对零
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度不可能达到，但并不限制人们使物体的温度无限接近绝对零度。热力学第三定律同热力学第一定律、第二定律一道为热力学的发展和完善起到了支柱的作用，是热物理学的基本理论基础之一。本文就热力学第零、一、二、三定律的基本内容和应用作一些讨论，以便深刻理解和掌握热力学定律。
2 热力学第零定律
什么是温度？人们在日常生活中，凭自己的感觉就能判断一个物体是冷还是热。感到热就认为温度高一些，感到冷就认为温度低一些。当然这种感觉是不可靠的。于是人们就简单地建立起了有关温度的初步概念。温度是描述物体冷热程度的物理量。
温度概念的引入和定量测量都是以热平衡定律为基础的。
在不受外界影响的情况下，只要A物体和B物体同时与C物体处于热平衡，即使A和B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态，这种规律称为热平衡定律，也称为热力学第零定律。
热平衡定律是否勒（Fowler）于1939年提出的，它独立于热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律之外，由于热平衡定律在热力学理论中的地位，人们把它称为热力学第零定律。
热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征——它们的温度是相同的。实验也证实，在外界条件不变的情况下把已经达到热平衡的系统中的各个部分相互分开，是绝不会改变每个部分本身的热平衡状态的，这说明热接触为热平衡的建立创造了条件。热力学第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的办法。由于互为热平衡的物体具有相同的温度，在判别两个物体温度是否相同时，不一定要两物体直接热接触，而可借助一“标准”的物体分别与这两个物体热接触就行了，这个作为“标准”的物体就是温度计[1]。
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这里需要说明，第零定律只能够说明物体之间有没有达到热平衡，也就是说物体之间的温度是否相同，而不能比较尚未达到热平衡的物体之间温度的高低。
3 热力学第一定律
在十九世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破[2]。
热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，能量守恒与转换定律的发现与其他物理规律的发现最大不同之处在于它不是某一位科学家独立研究而提出的，而是由许多科学家在不同的研究领域分别发现的。到了十九世纪四十年代前后，西欧的四、五个国家，从事七、八种专业的十多位科学家分别通过不同的途径，各自独立地发现了能量守恒和转换定律。
自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能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。根据能量守恒定律，作功是能量转化的量度，不可能无中生有地创造能量，因此热力学第一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外作功的机械）是不能制造出来的。
半个多世纪中很多科学家冲破传统观念的束缚而作出不懈探索，直到1850年，科学界才公认热力学第一定律是自然界的一条普适定律，适用于一切形式的能量，而迈耶、焦耳、亥姆霍兹是一致公认的热力学第一定律的三位独立发现者。
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3.1热力学第一定律的数学表达式
从微观的角度来看，内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观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，当系统的初态1和终态2给定后，内能之差就有确定值，与系统由1到2所经历的过程无关。处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应的关系。
如果系统经历一个非绝热过程，系统在终态2和初态1的内能之差
U2?U1就等于在过程中外界对系统所作的功W与系统从外界吸收的热量
Q之和。可以写成下述形式：
U2?U1?Q?W （1）
这就是热力学第一定律的数学表达式。也就是说，在过程中通过作功和传热两种方式所传递的能量，都转化为系统的内能。
上面说的是有限的过程，如果系统经历一个无穷小的过程，内能的变化为dU,外界所作的功为dW,系统从外界吸收的热量为dQ，则有 dU?dQ?dW （2） 在式（1）和（2）中初态和终态是平衡态，但过程所经历的中间状态并不需要是平衡态，也就是说式（1）和（2）对非静态过程也是适用的。
对于准静态过程，把上式改写为
dU?dQ?pdV (3)
3.2热容和焓
存在温度差时所发生的传热过程中，物体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量称为物体的热容。系统在等体过程中，由于体积不发生变化，所以，系统对外界以及外界对系统都不作功，根据热力学第一定律，我们
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