热力学第一定律及其思考

热力学第一定律及其思考

摘要：在19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可以使系统不断的经历状态变化后又回到原来状态，而不消耗系统的内能，同时又不需要外界提供任何能量，但却可以不断地对外界做功。在热力学第一定律提出之前，人们经过无数次尝试后，所有的种种企图最后都以失败而告终。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。本文就这一伟大的应用于生产生活多方面的定律的建立过程、具体表述、及生活中的应用——热机，进行简单展开。

关键字：内能；热力学；效率；热机

1.热力学第一定律的产生

1.1历史渊源与科学背景

火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。18世纪中期,苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。这种理论认为,热是由一种特殊的没有重量的流体物质,即热质（热素）所组成,并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象,因而这种学说为当时一些著名科学家所接受,成为十八世纪热力学占统治地位的理论。

十九世纪以来热之唯动说渐渐地为更多的人们所注意。特别是英国化学家和物理学家克鲁克斯（M.Crookes，1832—1919）,所做的风车叶轮旋转实验,证明了热的本质就是分子无规则运动的结论。热动说较好地解释了热质说无法解释的现象,如摩擦生热等。使人们对热的本质的认识大大地进了一步。戴维以冰块摩擦生热融化为例而写成的名为《论热、光及光的复合》的论文,为热功提供了有相当说服力的实例,激励着更多的人去探讨这一问题。

1.2热力学第一定律的建立过程

19世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。1836年，俄国的赫斯：“不论用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的”。1830年，法国萨迪·卡诺：“准确地说，它既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式”。这时能量转化与守恒思想的已经开始萌发，但卡诺的这一思想，在1878年才公开发表，此时热力学第一定律已建立了。

德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。他认为，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。迈尔的结论是：“因此力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体”。并在1841年、1842年撰文发表了他的观点，在1845年的论文中，更明确写道：“无不能生有，有不能变无。”“在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。”

焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。1849年发表《论热功当量》，1878年发表《热功当量的新测定》，最后得到的数值为423.85公斤·米/千卡，焦耳测热功当量用了三十多年，实验了400多次，

付出大量的辛勤劳动。

1847年，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。

2.热力学第一定律的表述

2.1热力学第一定律的文字表述

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保持不变。该定律就称为热力学第一定律，也称为能量转换与守恒定律，这一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外做功的机械）是不能制作出来的。

2.2数学表达式

2.2.1内能定理

在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使大统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。当系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。

内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的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，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态之间有一一对应的关系。从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统做功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加应等于这两者之和。

2.2.2热力学第一定律的数学表达式

假定在系统从内能为E1的状态到内能为E2的状态的某一过程中，外界对系统传递的热量为Q，同时系统对外界做功为A，那么根据能量守恒与转换定律，有热力学第一定律的数学表达式Q = (E2—E1) + A ，同时对Q与A的正、负号规定：Q>0表示系统从外界吸收热量，反之则向外界放出热量；A>0表示系统对外界做正功，反之则表示外界对系统做正功。从热力学第一定律的数学表达式Q = (E2—E1) + A 可以看出：系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界做功。

3.热力学第一定律与热机及其效率

3.1热机

自人们开始使用蒸汽机以来，其效率一直都很低，95%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。如何才能使热机的效率更高呢？

热机是指把持续将热转化为功的机械装置，一个热机至少应包含以下三个组成部分：循环工作物质；两个或两个以上的温度不同的热源，使工作物质从高温热源吸热,向低温热源放热；对外做功的机置。

热机的效率:

由上式及上图可知，从高温热源吸收的Q1在工作物质B中一部分用来对外做功，而另外一部分则转化成Q2放热到空气T2中到低温处。由此可知,热机不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为功,即热机效率不能达到100%,这样，人们就必然会关心燃料燃烧所产生的热中，或热机从高温热源吸收的热量中，有多少能量转化为有用功的问题。