浅谈热力学第一定律及其应用_李微

科技论坛
浅谈热力学第一定律及其应用
李微
（哈尔滨劳动技师学院，黑龙江哈尔滨１５００００）
１８世纪初，蒸汽机的出现和应用，热现象的研究受到重视，到１８世纪前半期，制造出了一些供实际应用的温度计，相继建立了华氏、摄氏等经验温标，系统的计温学初步建立，在定量研究热现象方面迈出了重要的一步。

热力学第一定律是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。

十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。

无论是埃瓦特对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系，还是丹麦工程师和物理学家柯尔丁对热、功之间的关系也作过研究。

甚至是法国工程师萨迪·卡诺早在１８３０年就已确立了功热相当的思想，他在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力，或者可以说，它是改变了形式的运动，它是（物体中粒子的）一种运动（的形式）。

当物体的粒子的动力消失时，必定同时有热产生，其量与粒子消失的动力精确地成正比。

相反地，如果热损失了，必定有动力产生。

”而且，后来许许多多的化学家、物理学家都对热学第一定律的确定做出了不可替代的贡献。

但是，对能量转化与守恒定律作出明确叙述的，首先要提到三位科学家。

他们是德国的迈尔、海曼·赫姆霍兹和英国的焦耳。

热力学第一定律的最大贡献是能量转化和守恒定律在涉及热现象工程中的具体体现。

从而，非常有力地摧毁了第一类永动机的存在。

早期人们幻想着有这样一种机器：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。

另外，热力学第一定律对我们的贡献又能体现在生活生产实践中，比如热机。

热机是指把持续将热转化为功的机械装置，是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。

热机通常以气体作为工质（传递能量的媒介物质叫工质），利用气体受热膨胀对外做功。

热能的来源主要有燃料燃烧产生的热能、原子能、太阳能和地热等。

１８世纪第一台蒸汽机问世后，经过许多人的改进，特别是纽科门和瓦特的工作，使蒸汽机成为普遍适用于工业的万能原动机，但其效率却一直很低，只有８％左右，９２％以上的热量都未被利用。

其他热机的效率也普遍不高，譬如：液体燃料火箭效率４８％，柴油机效率３７％，汽油机效率２５％等等。

热机的发展史：蒸汽机→蒸汽轮机→内燃机→喷气发动机→火箭发动机
热机种类很多，按工质接受燃料释放能量的方式，分为内燃机和外燃机。

下面以汽油做燃料的内燃机为例简单说一下热机的工作过程：
汽油机的一个工作循环要经历四个冲程，属于四冲程内燃机。

它的一个工作循环中，活塞往复各运动两次，只有第三个冲程内燃机推动活塞做功。

在做功冲程燃气对活塞做功，内能转化为机械能。

其余三个冲程要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成（其中压缩冲程是由活塞向上运动，压缩燃料混合物，机械能转化为内能）。

活塞式内燃机自１９世纪６０年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。

它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。

全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。

海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃
机来推进。

世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类
活动中占有非常重要的地位。

随着科技的进步，热机的研究已经很好的应用到航天领域。

冲压发动机是喷气发动机的一种，是利用高速气流在速度改变下产生的压力改变，达到气体压缩的目的原理来运作。

冲压发动机本身没有活动的部分，气流从前端进气口进入发动机之后，利用涵道截面积的变化，让高速气流速度降低，并且提高气体压力。

压缩过后的气体进入燃烧室，与燃料混合之后燃烧。

由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不绝的从前方进入，因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作，只能在一定的速度以上才可以产生推力。

为了让冲压发动机加速到适合的工作速度，必须有其他的辅助动力系统自静止或者是低速下提高飞行速度，然后才点燃冲压发动机。

此外，热力学第一定律在热容量与焓和对理想气体的应用上都有体现。

从能量的角度一样可以分析热力学第一定律。

能量守恒定律是自然界中各种形态的运动相互转化时所遵从的普遍法则。

自从它建立起来以后，直到今天，不但没有发现任何违反这一定律的事实，相反地，大量新的实践不断证明着这一定律的正确性，丰富着它所概括的内容。

表征热力学系统能量的是内能。

通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。

根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔＵ应等于在此过程中外界对系统传递的热量Ｑ和系统对外界作功Ａ之差，即ＵⅡ－ＵⅠ＝ΔＵ＝Ｑ－Ａ这就是热力学第一定律的表达式。

热力学第一定律是热力学的基础，是热力学发展的重要组成部分。

不管科技发展到哪种程度，它在人们生活生产实践中的运用都会有它的一席之地。

能源是人类社会活动的物质基础，社会得以发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用，能量资源的范围随着科学技术的发展而扩大，所以热力学第一定律的广阔发展前景也将越来越光明。

参考文献
[1]王竹溪.热力学教程[M].北京：人民教育出版社,1979.[2]康乐明.工程热力学[M].北京：化学工业出版社,2010,9,1.[3]刘峥.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社,2011,3,1.[4]沈维道,童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社,2007,6,1．
摘要：热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式，是人类经验的总结，也是热力学最基本的定律
之一。

它适用于宏观世界和微观世界的所有体系，适用于一切形式的能量。

关键词：热力学第一定律；热机；发动机１４９
··。