建筑科学是一门奇怪的学科。很少有学院和大学教授这门课程。大多数从事建筑工作的人称自己为工程师、建筑师和承包商，而不是建筑科学家。许多引用这个术语的人至少可以解释热力学第二定律的一个含义(我们将在下面讨论)，但可能不知道其他热力学定律是什么，为什么它们的编号如此奇怪，甚至不知道有多少个。你呢?

好吧，今天让我们来解决这个缺陷。如果你要谈论热力学定律之一，你至少有责任了解其他定律，告诉好奇的人它们是什么，哪些在建筑科学领域有一定的意义。不过，在我们开始讨论这个主题之前，让我们先来了解一下物理学家阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld)对热力学的看法:

热力学是一门有趣的学科。第一次看的时候，你根本不懂。第二次看的时候，你觉得你懂了，除了一两点。当你第三次看的时候，你知道你不明白，但那时你已经习惯了这个话题，它不再困扰你了。

有了这些，让我们从头开始。热力学第一定律并不是热力学第一定律。(我告诉过你这很奇怪!)它是……

热力学第零定律

让我们从一个显而易见的问题开始:为什么它不叫热力学第一定律?碰巧，这个定律是在第一定律和第二定律之后被发现的，但被认为是更基本的定律。所以我们有第零定律。

下面是第零定律

如果两个系统都与第三个系统处于热平衡状态，它们彼此之间也处于热平衡状态。

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。如果你把一个冰块扔进去，冰和水是热平衡的吗?不。它从水中吸收热量。

但如果我们想象一下，在我们把冰块取出来之前，它是放在冰箱里的。冰柜里的冰被冷空气包围着。一旦冰块在冰箱里待了足够长的时间，完全冻结，并达到与冰箱里空气相同的温度，冰块和冰箱里的空气之间就不会发生传热。现在我们有一个热平衡的例子。

因此，处于热平衡状态的两个系统温度相同，彼此有热接触，并且没有从一个系统到另一个系统的净热流。第零定律的一个结果是温度测量是一件大事。

热力学第一定律

根据你是如何进入建筑科学领域的，你可能遇到过这个定律。如果你学过物理或工程，你肯定见过热力学的四个定律。如果你走的是另一条路，这条路对你来说可能是新的。

在热力学中，第一定律是热、功和热力学能之间的关系。让我们在这里放弃那些形式和技术细节，直接进入对构建科学很重要的基本原则:能量既不能创造也不能消灭。

是的。热力学第一定律是能量守恒定律的公式。它在建筑科学中有很多应用。

让我们从如何为建筑物供暖开始。如果是煤气炉，燃料有一定的化学能。当气体进入燃烧器并被点燃时，它会改变形状。化学反应产生热量，从而提高废气的温度。这些废气通过热交换器，提高了大块金属的温度。鼓风机将空气吹过热交换器，从金属中提取热量，然后通过管道输送。

每一点转化为热能的化学能都在某处结束。理想情况下，你希望尽可能多的热量进入你的房子，但并不是所有的热量都是这样。一些随着废气进入烟道。更好的热交换器可以捕获更多的热量供室内使用，但所有的炉子都至少会向烟道中输送一些热量。另一种散失热量的方式是当你的管道通过无条件的空间。底线是，如果你燃烧了100单位的化学能，你就得到了100单位的热量。

这是第一定律在建筑中的另一种应用方式。考虑一下吊扇。夏天，你打开它，让微风吹过你的皮肤，让你凉爽下来。能量的作用是让房间变热。在这种情况下，输入的能量是电的。风扇电机将其转化为机械能，即移动的风扇叶片。但它并不能以100%的效率将电力转换为运动。风扇马达里的电线有电阻，会产生一些热量。因此，一些电立即转化为热。剩下的电能变成了机械能，但即使是机械能最终也变成了热。 So all of the electricity you use to run the ceiling fan actually heats up the room, which is why it不穿有什么好处吗当没有人在那里感受微风。

在他的书中，建筑不会说谎，亨利吉福德建议读者如何使用热力学第一定律来了解节能特性和嗅出骗局。他说，对于一种节能产品来说，你必须在使用该产品之前知道能量的去向。例如，隔热可以减少建筑物在冬季的热量损失，从而相应减少为保持舒适而必须添加到建筑物中的热量。吉福德说，如果你不能清楚地确定能源转换的路径，“应该以怀疑的态度来看待拟议的节能措施。”

以阿米什人的壁炉为例。尽管它们在市场上被宣传为伟大的节能者，但它们并没有比其他电阻加热器更节能。它们都能以100%的效率将电转化为热(就像吊扇一样)。使用取暖器节约能源的唯一方法是关掉房子其他地方的暖气。

热力学第二定律

一旦科学家们弄清楚热力学第一定律，他们就开始发现它会让各种奇怪的事情发生。让我们回到那杯温水。如果杯子下半部分的水变冷，甚至凝结成冰块，这并不违反第一定律。要做到这一点，杯子顶部的水必须变热，才能保持杯子中同样多的热能。

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。我们可以研究热机、卡诺效率、熵和时间箭头，但就建筑科学而言，鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)对第二定律的陈述最有意义:热从一个较冷的物体传到一个较热的物体时，如果没有与此同时发生的与之相关的其他变化，是不可能的。

在冬天，来自壁炉的热量自然想要转移到室外。室外空气中的热量不会“在没有其他变化的情况下”进入我们的房子。我们可以从室外空气中获取热量，用热泵为我们的房子供暖，但这个设备有其他的东西，并不违反第二定律。但即使这样，当你观察它的工作原理时，热量仍然从较热的物体流向较冷的物体。(要了解更多细节，请参阅我的文章热泵是如何从寒冷中获得热量的．)

热从热到冷是我在第一段中提到的热力学第二定律的含义。在许多建筑科学入门课程中都有教授，以及从热量流动到水分流动(湿到干)和空气流动(高压到低压)的推断。

稍微超出建筑科学的范围，热力学第二定律暗示宇宙的最终命运是热死。如果有足够的时间，宇宙中的所有能量最终会均匀地分布，所有物质都处于相同的温度。当然，这是假设宇宙是一个孤立的系统。如果我们的宇宙只是某个更大宇宙中的一个物质斑点，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那个孩子把放大镜指向哪个方向一样。

热力学第三定律

这个很简单:

温度的绝对零度是无法达到的。

这个定律是第二定律的直接结果。一个公式说热机永远不可能以100%的效率运行，用一个方程定义最大效率为卡诺效率:

e = 1 - T_C/ T_H

T_C和T_H分别为冷库和热库的温度。如果冷储层的温度为绝对零度，效率将为100%。但第二定律很清楚地说明了这是不可能的。瞧!我们需要热力学的另一个定律!

建筑科学与热力学

建筑科学关注的是通过建筑围护结构的热流，以及向有条件空间供应或从有条件空间取出的热量。热力学定律为理解热奠定了基本规则，这意味着如果你想更好地理解建筑科学，你需要了解一些热力学。当你深入其中，你知道你不理解它，但习惯了它，那么你已经在你的教育中取得了严重的进步!

Allison贝尔斯是乔治亚州迪凯特的一名演讲者、作家、建筑科学顾问，也是《能源先锋博客．你可以在推特上关注他@EnergyVanguard．