建筑科学是一个奇怪的主题。很少有学院和大学教授它。大多数工作在建筑物上的人称自己为工程师，建筑师和承包商，而不是构建科学家。And many of those who do invoke the term can explain at least one implication of the second law of thermodynamics (we’ll get to that below) but may not know what the other laws of thermodynamics are, why their numbering is so peculiar, or even how many there are. Do you?

今天我们来谈谈这个不足。如果你要谈论热力学定律之一，你有责任至少了解其他定律，告诉一个好奇的人它们是什么，以及哪些定律在建筑科学的世界中有一定的作用。不过，在我们开始这个话题之前，让我们先从物理学家阿诺德·索姆菲尔德(Arnold Sommerfeld)的角度来了解一下热力学:

热力学是一门有趣的学科。第一次看的时候，你根本不懂。当你第二次读的时候，你认为你理解了，除了一两个点。当你第三次读的时候，你知道自己不懂了，但到那个时候，你已经习惯了这个话题，它就不会再困扰你了。

有了这个，让我们从一开始，有点。热力学的第一个定律不是热力学的第一个定律。（我告诉过你这是特殊的！）它是......

热力学第零定律

让我们从明显的问题开始：为什么它不称为第一热力学定律？正如它所发生的那样，这项法律是在第一和第二法律之后发现的，但被认为是更重要的。所以我们有一个Zeroth法。

现在，Zeroth法的陈述：

如果两个系统每个都是热平衡的第三个系统，它们彼此热平衡。

当然，这就引出了热平衡定义的问题。让我们从一杯温水开始。如果你放一块冰块进去，冰和水处于热平衡吗?不。它从水中吸收热量。

但如果我们想到坐在冰箱里的冰块，在我们把它拿出来之前。冰被冰箱中的冷空气包围。一旦冰已经在冰箱中足够长而完全冻结然后达到与冰箱中的空气相同的温度，冰块和冷冻空气之间不会发生热转印。现在我们有一个热平衡的情况。

因此，在热平衡的两个系统处于相同的温度，彼此热接触，并且没有从一个到另一个的净热流。Zeroth Law的一个结果是温度测量是有点大的。

热力学第一定律

根据你如何来到建筑科学领域，您可能会遇到这项法律。如果您研究了物理或工程，则毫无疑问地看到了所有四种热力学定律。如果你改为由不同的路线到达，这可能对你来说可能是新的。

在热力学中，第一定律表述为热、功和热力学能之间的关系。让我们放弃这里的形式和技术细节，切入对构建科学很重要的基本原则:能量既不能被创造也不能被消灭。

是的。热力学第一定律是能量守恒定律的表述。它在建筑科学中有许多应用。

让我们从我们如何加热建筑物。如果它具有燃气炉，燃料具有一定量的化学能。当气体进入燃烧器并点燃时，它会改变形式。化学反应产生热量，从而提高了废气的温度。那些废气穿过热交换器，增加了金属的温度。然后鼓风机在热交换器上吹空气，从金属中提取热量，然后通过管道发送。

每一点化学能源转化为热火最终在某处。理想情况下，您希望尽可能多地热量最终在您的房子里，但并非所有的都能。有些用废气卷起。更好的热交换器捕获更多的热量供屋，但所有炉子至少会向烟道送出一些加热。你失去热量的另一种方式是当你的管道通过无条件的空间时。但是，底线是，如果你燃烧100个单位的化学能量，那么你得到100个热量。

这是第一个法律在建筑物中工作的另一种方式。考虑吊扇。在夏天，你可以打开它来造成一个漂亮的微风，吹过你的皮肤，让你冷静下来。能量发生了什么是你实际上升温了房间。在这种情况下，输入能量是电气的。风扇电机将其转换为机械能，移动风扇叶片。但它不会以100％的效率转换电力以运动。风扇电机中的电线具有阻力，从而产生一些热量。因此，一些电力立即变成了热量。其余的电能变为机械能，但即使最终变得热量。 So all of the electricity you use to run the ceiling fan actually heats up the room, which is why it不好留下它们当没有人在那里感受微风。

在他的书中,建筑物不撒谎，亨利Gifford建议读者如何利用第一热力学定律来了解节能功能和嗅探诈骗。他说，为了节省能源的产品，你必须知道在使用该产品之前能量的位置。例如，绝缘将在冬季从建筑物中丢失的热量减少，相应减少了加入到建筑物以保持舒适性的热量。如果您无法清楚地确定能量转换的路径，Gifford表示，“建议的节能措施应以怀疑主义观察。”

以阿米什人的壁炉为例。虽然他们被营销为伟大的节能，没有任何关于他们节省能源比任何其他电阻加热器。它们都能以100%的效率将电转化为热(就像吊扇一样)。使用室内取暖器节省能源的唯一方法是关掉房子其他地方的暖气。

热力学的第二律

一旦科学家们发现了热力学第一定律，他们就开始意识到它会让各种奇怪的事情发生。让我们回到那杯温水。它不会违反第一定律，因为在杯子底部的水会变冷，甚至可能会冻结成一块冰。要做到这一点，杯子顶部的水必须变热，保持杯子中相同的热能。

见过这种情况吗?不。它可能没有违反第一定律，但我们从自己的直接经验中知道，这样的事情是不会发生的。这就是热力学第二定律的作用。这个有点复杂，有几个等价的公式。我们可以讨论热机，卡诺效率，熵和时间之箭，但为了建立科学，鲁道夫·克劳修斯的第二定律是最重要的:在没有其他一些改变的情况下，热量永远不会从较高的较高的身体上通过，同时发生。

在冬天，我们壁炉里的热量自然会转移到室外。“没有其他变化”，室外空气中的热量不会进入我们的房子。我们能够从室外空气中获得热量，用热泵加热我们的家，但那些设备有其他事情正在进行，不会违反第二种法律。但即使那么，当你看看它是如何实际工作的时候，热量仍然从加热器流到凉爽的物体。（有关更多详细信息，请参阅我的文章热泵如何从寒冷中获得热量．)

从热到寒冷移动的热量是我在第一段中提到的第二种热力学定律的含义。它在许多介绍性建筑科学课程中教授，以及从热量流向水分流动（湿到干）和空气（高压到低压）的外推。

刚刚超越建筑科学，第二种热力学定律意味着宇宙的最终命运是热死亡。鉴于足够的时间，宇宙的所有能量最终将均匀地展开，在相同温度下的一切。假设宇宙当然是一个孤立的系统。如果我们的宇宙只是在一些较大的宇宙中只是一个物质，我们的命运可能取决于那里发生的事情，就像蚂蚁的命运可能取决于孩子指向放大镜的方式一样。

热力学第三定律

这个非常简单：

温度的绝对零是无法实现的。

本法是第二法的直接后果。一个配方表示，热动发动机永远不会以100％的效率操作，等式定义了Carnot效率的最大效率：

E = 1 - T_C/ T_H

T._C和T_H是冷热储层的温度。如果冷藏液在绝对零的温度下，效率为100％。但第二项法律使其非常清楚，无法发生。voilã！我们需要另一个热力学定律！

建设科学与热力学

建筑科学涉及通过建筑物和供应或从条件空间中除去的热量的热流。热力学定律放下了了解热量的基本规则，这意味着如果你想更好地了解建筑科学，你需要了解一些热力学。当你足够远的时候，你知道你不明白但习惯了，那么你就在你的教育中取得了严肃的进步！

Allison贝尔斯他是一位演说家、作家、建筑科学顾问和《能源先锋博客．你可以在Twitter上关注他@EnergyVanguard．