物理学史2.2 热力学第一定律的建立
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是研究能量转化与传递规律的科学，它的发展历程可以追溯到18世纪末的工业革命时期。
本文将从热力学的起源开始，介绍其发展的里程碑事件，包括热力学定律的提出和热力学的应用领域。
1. 热力学的起源热力学的起源可以追溯到18世纪末，当时工业革命推动了工业化进程，人们开始关注能量转化与传递的问题。
最早的研究者之一是英国物理学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black），他在1761年提出了“拉蒙德热量守恒定律”，为热力学的发展奠定了基础。
2. 热力学定律的提出2.1 热力学第一定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是热力学的基本原理之一。
它由德国物理学家朱尔斯·冯·迈耶（Julius von Mayer）和赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）于19世纪中叶独立提出。
该定律表明，能量在系统中的总量是恒定的，能量可以从一种形式转化为另一种形式，但不能被创造或销毁。
2.2 热力学第二定律热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它揭示了能量转化的方向性。
根据第二定律，热量不会自发地从低温物体转移到高温物体，而是相反的。
这个定律由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）和威廉·汤姆孙（William Thomson）于19世纪提出，并且被称为热力学中的“不可逆性原理”。
3. 热力学的应用领域热力学的发展不仅仅是理论上的突破，还在许多实际应用领域起到了重要作用。
3.1 工程热力学工程热力学是热力学在工程实践中的应用，它研究了能量转化与传递在工程系统中的应用。
例如，汽车发动机、电力站和制冷设备等都是工程热力学的研究对象。
通过研究工程热力学，人们可以优化能源利用和提高能源效率。
3.2 生物热力学生物热力学是热力学在生物学领域的应用，它研究了生物体内能量转化与传递的规律。
生物热力学的研究对于理解生物体的能量代谢、生物体温调节和生物体运动等方面非常重要。
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是研究热能转化和传递的物理学分支，它的发展历程可以追溯到18世纪末。
以下将详细介绍热力学的发展历史。
1. 开始阶段（18世纪末-19世纪初）热力学的起源可以追溯到18世纪末，当时研究者开始探索热量和机械能之间的关系。
最早的研究者之一是法国物理学家尼古拉·卡诺，他在1824年提出了卡诺热机理论，奠定了热力学的基础。
同时，英国物理学家约翰·道尔顿也提出了“热量是物质微粒的运动形式”的观点，这对热力学的发展有着重要的影响。
2. 热力学第一定律的建立（19世纪中期）19世纪中期，热力学第一定律的建立标志着热力学理论的重要进展。
德国物理学家朱尔斯·冯·迈耶在1842年提出了能量守恒定律，即热力学第一定律。
他认为，能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量守恒。
此后，热力学第一定律成为研究能量转化和传递的基本原理。
3. 热力学第二定律的提出（19世纪中后期）19世纪中后期，热力学第二定律的提出进一步推动了热力学理论的发展。
热力学第二定律描述了热量的自发流动方向，即热量只能从高温物体流向低温物体。
热力学第二定律的提出由多位科学家共同完成，其中包括克劳修斯、开尔文和卡诺等人。
他们的研究成果为热力学第二定律的确立奠定了基础。
4. 统计热力学的发展（19世纪末-20世纪初）19世纪末至20世纪初，统计热力学的发展成为热力学领域的重要研究方向。
统计热力学是热力学和统计力学的结合，通过统计方法研究微观粒子的运动和性质。
奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼是统计热力学的先驱者之一，他提出了著名的玻尔兹曼方程，解释了气体分子的运动规律，并对热力学第二定律进行了微观解释。
5. 热力学的应用与发展（20世纪）20世纪，热力学的应用范围不断扩大，成为众多领域的基础理论。
热力学在化学、工程、材料科学等领域的应用日益广泛。
例如，热力学在化学反应动力学研究中起到重要作用，可以预测反应速率和平衡常数。
热力学三个定律的形成史
热力学三个定律的形成史热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，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，下面是为大家搜集的一篇关于热力学三个定律的形成史探究的，供大家阅读参考。
热力学是热学理论的一个方面。
热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，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。
因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。
热力学三定律是热力学的基本理论。
1热力学第一定律1.1热力学第一定律概述能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。
自然界中的一切物质都具有能力，能量有各种不同的形式，这种不同形式的能量都可以转移(从一个物体传递到另一个物体)，也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式)，但在转移和转换过程中，它们的总量保持不变。
这一规律成为能量守恒与转换定律。
能量守恒与转换定律应用在热力学中，或者说应用在伴有热效应的各种过程中，便是热力学第一定律。
热力学第一定律是人类在实践中积累的经验总结，它的发现和建立，打破了人们企图制造一种可以不消耗能量而能连续做功的永动机。
因此，热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是造不出来的[1].其基本公式可以表述为公式(1)，它表明向系统输入的热量Q,等于质量为m的流体流经系统前后焓H的增量、动能v的增量以及系统向外界输出的机械功W之和。
1.2热力学第一定律形成史1.2.1罗伯特·迈尔热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。
德国物理学家、医生迈尔发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。
他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。
1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力(能)的转化和守恒的思想。
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是研究能量转化与能量流动规律的科学，它涉及到物质的热力学性质、热力学过程以及热力学定律等方面。
本文将为您介绍热力学发展的历史，从热力学的起源开始，逐步展示热力学的发展脉络和重要里程碑。
1. 热力学的起源热力学的起源可以追溯到18世纪，当时科学家开始研究热的性质和能量转化规律。
最早的热力学研究可以追溯到法国科学家尼古拉·卡诺的工作，他提出了热力学第一定律，也被称为能量守恒定律。
这个定律表明能量在系统内的转化不会增加或者减少，只会从一种形式转化为另一种形式。
2. 热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立是热力学发展的重要里程碑。
它由卡诺在1824年提出，他的研究主要集中在热机的效率和能量转化方面。
卡诺的研究形成为了热力学第一定律的基础，即能量守恒定律。
这个定律表明，能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
3. 热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立是热力学发展的又一重要里程碑。
热力学第二定律主要研究热能的转化过程中的能量损失和不可逆性。
在19世纪中叶，热力学第二定律的概念逐渐明确，科学家们开始研究热能的转化效率和能量流动的方向。
热力学第二定律的建立为热力学奠定了坚实的理论基础，也为工程实践提供了重要的指导。
4. 熵的引入与热力学第三定律熵是热力学中一个重要的概念，它描述了系统的无序程度。
熵的引入使得热力学的理论更加完善。
热力学第三定律是指在绝对零度时，熵为零。
热力学第三定律的建立为热力学提供了一个基准点，使得热力学的研究更加系统和准确。
5. 热力学在工程和科学领域的应用热力学在工程和科学领域有着广泛的应用。
在工程领域，热力学的理论为热能转化设备的设计和优化提供了重要的依据。
在科学领域，热力学的理论为研究物质的性质和相变过程提供了重要的工具和方法。
总结：热力学的发展经历了数百年的演变，从热力学第一定律的建立到热力学第二定律和熵的引入，再到热力学第三定律的提出，热力学的理论逐渐完善。
热力学第一定律的推导过程
热力学第一定律的推导过程热力学是关于能量转化和守恒的一门学科，其中热力学第一定律是描述能量守恒的基本原理。
本文将介绍热力学第一定律的推导过程，以及该定律在能量转化和工程应用中的重要性。
热力学第一定律的表述是：能量可以从一个系统转移到另一个系统，但总能量守恒，能量不会消失也不会凭空产生。
换言之，能量的转移必须遵循能量守恒原理。
首先，我们来看一个封闭系统，该系统与外界没有热量和物质的交换。
在这个封闭系统中，能量的转移来自于两个方面：热量和功。
热量是由于温度差异而导致的能量传递方式。
当两个物体具有不同的温度时，热量会从高温物体传递到低温物体，直到两个物体达到热平衡。
根据热力学第一定律，热量的转移会导致系统内能量的增加或减少。
功是通过对系统施加力使系统发生位移而产生的能量转移方式。
当外界对系统施加力使系统发生位移时，功会对系统进行能量的增加或减少。
例如，当我们对一个弹簧施加力使其压缩时，我们对系统做了功，将能量转化为储存在弹簧中的弹性势能。
接下来，我们将热量和功进行量化。
根据热力学的基本规律，热量的传递可以通过温度差和传热介质的热传导系数来描述。
而功的量化可以通过力与位移的乘积得到。
设想一个封闭系统，在一段时间内热量的流入和流出分别为Q1和Q2，功的输入和输出分别为W1和W2。
根据热力学第一定律，系统内能量的变化ΔE等于输入的热量减去输出的热量和输入的功减去输出的功。
ΔE = Q1 - Q2 + W1 - W2在热力学中，我们通常关注系统的内能变化和系统的功。
内能是指系统中分子和原子之间相互作用的总能量，而系统的功是指外界对系统进行的能量转移。
为了更好地描述热力学第一定律，我们引入内能的概念。
根据内能的定义，系统的内能可以通过温度和热容量来表示。
热容量是指系统在单位温度变化下吸收或释放的热量。
将内能和热容量引入热力学第一定律的方程中，可以得到如下表达式：ΔE = Q - W其中，ΔE表示系统内能的变化，Q表示系统吸收或释放的热量，W 表示系统对外界做功。
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是研究热、功和能量转化的科学，其发展历程可以追溯到18世纪。
本文将从热力学的起源开始，概述其发展历程，并分析其在科学研究和工程应用中的重要性。
一、热力学的起源1.1 18世纪热力学的萌芽在18世纪，热力学的概念逐渐形成，科学家开始研究热量和功的关系。
1.2 卡诺定理的提出法国工程师卡诺在1824年提出卡诺定理，奠定了热力学的基础。
1.3 克劳修斯的热力学第一定律德国物理学家克劳修斯在1850年提出热力学第一定律，揭示了能量守恒的基本原理。
二、热力学的发展2.1 热力学第二定律的提出克劳修斯和开尔文在19世纪提出热力学第二定律，揭示了热量自然流动的方向。
2.2 熵的概念麦克斯韦和普朗克在19世纪末提出了熵的概念，为热力学提供了新的理论基础。
2.3 热力学的应用热力学的发展推动了工业革命和科学技术的进步，广泛应用于发电、制冷、化工等领域。
三、热力学在科学研究中的重要性3.1 热力学与化学反应热力学为化学反应的研究提供了理论基础，揭示了反应热和平衡常数之间的关系。
3.2 热力学与生物学热力学在生物学研究中的应用日益重要，揭示了生物体内能量转化的规律。
3.3 热力学与地球科学热力学在地球科学中的应用涉及地球内部热量、地震等重要现象的研究。
四、热力学在工程应用中的重要性4.1 热力学在能源领域的应用热力学在能源开发和利用中起着关键作用，推动了可再生能源和清洁能源的发展。
4.2 热力学在制冷技术中的应用热力学为制冷技术的发展提供了理论基础，推动了冷链物流和医疗保鲜技术的进步。
4.3 热力学在材料科学中的应用热力学在材料研究中的应用促进了新材料的开发和应用，推动了材料科学的发展。
五、热力学的未来发展5.1 热力学在新能源领域的应用随着新能源技术的发展，热力学将在太阳能、风能等领域发挥更重要的作用。
5.2 热力学在环境保护中的应用热力学在环境保护和减排方面的应用将成为未来的重点研究领域。
5.3 热力学在人类生活中的应用热力学将继续在人类生活中发挥重要作用，推动科技创新和社会进步。
热力学第一定律的发展历史
热力学第一定律的发展历史热力学是研究热能与其他形式能量之间相互转化及其与物质性质的关系的学科。
热力学第一定律是热力学的基本定律之一，它对能量守恒进行了描述和规定。
下面将从热力学第一定律的发展历史角度，探讨其演变过程和重要里程碑。
热力学第一定律的发展可以追溯到18世纪末和19世纪初。
当时，科学家们开始对热量和能量进行系统研究，并试图建立一个关于能量转化的基本理论。
然而，在当时的科学界，关于能量是否可以永久转化、能量转化是否符合某种规律等问题还存在争议。
1812年，法国科学家西尔维恩·西卢瓦提出了一个重要的观点，即能量是守恒的。
他认为，能量无法被创造或消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
这个观点成为热力学第一定律的基础。
随后，热力学第一定律的概念逐渐得到完善和明确。
1834年，英国物理学家威廉·汤姆森（后来的开尔文勋爵）提出了“热力学能量原理”，指出能量守恒是自然界的基本规律，并将其与机械能守恒相对应。
在热力学第一定律的发展历史中，有一位重要的科学家不可忽略，那就是赫尔曼·冯·亥姆霍兹。
他在1847年提出了能量守恒的一个重要方程式，即“能量守恒定律”。
这个方程式表明了能量在转化过程中的守恒关系，为热力学第一定律的确立提供了重要支持。
到了19世纪末20世纪初，热力学第一定律的概念已经相对成熟，但还存在一些问题和争议。
其中一个重要问题是关于热量和功的区分。
热量和功都是能量的一种形式，它们之间的转化关系一直是热力学研究的焦点之一。
1897年，奥地利物理学家鲁道夫·克拉修斯提出了“热力学第一定律的原理表达”，从宏观和微观两个层面对热量和功进行了界定和区分。
他认为，热量是能量的一种转移形式，而功则是能量的一种转化形式。
在20世纪初，热力学第一定律的概念进一步完善和发展。
1909年，德国物理学家马克斯·普朗克提出了“能量守恒原理”，指出能量守恒是物理学的基本原理之一，并将其应用于热力学第一定律的研究中。
热力学第一定律的内容及公式
热力学第一定律的内容及公式热力学第一定律是物理学中一个重要的定律，它总结规定了热力学系统内物质的状态变化，通常也被称为“平衡态定律”，它是一个重要的理论框架，将热力学和它的应用的范围从物理学的实验室延伸到日常生活中所涉及的广泛的应用领域。
热力学第一定律的概念源自19世纪末的欧洲，但直到20世纪初，才形成了它的形式化定义。
1923年，康涅狄格州立大学随后，热力学第一定律被定义为“能量不会因某些热力学过程而创造或消失，热量只能从一个体系传到另一个体系”。
那时，热力学第一定律只是具有普遍性的概念，并没有被用来作为实际工程设计的工具，直到20世纪30年代，随着实验结果的出现，热力学第一定律才得到实际应用。
热力学第一定律的原理说明，尽管有内部热量转换的时候，热力学系统的总能量保持不变，这就意味着能量在绝对的状态下保持不变，而不是简单的动能和位能的变化。
在热力学过程中，能量是不可替代的，也就是说，当一个体系失去某些能量时，这个体系必须从其他体系获得一些新的能量，以保持总能量的恒定性。
因此，热力学第一定律可以用克里斯特公式表达，即：ΔU = Q - W其中，Δu表示系统的总能量变化，Q表示从外部传入的热能，W 表示系统中发生的功的大小。
此外，热力学第一定律建立在热力学的基本假设上，即物质处于恒定温度、恒定压力和恒定体积的条件下受到平衡时，物理密度不变。
据此，热力学第一定律可以用以下公式表示：ΔU = Q - PV其中，Δu表示物质总能量的变化，Q表示物质吸收热量，P表示物质的压强，V表示体积的变化。
热力学第一定律的定义及其表达形式已经被用来作为描述热力学系统在平衡状态下的物理定律，不仅用于理解实验室行为，也是工程设计和工业应用的基础。
热力学第一定律的重要性不能被夸大，它可以帮助我们理解热力学系统处于热平衡，内部能量流动以及能量从一个体系传至另一个体系的过程，从而为工程设计和工业应用提供重要的理论支持。
此外，热力学第一定律还可以用来解释质能守恒定律，即宇宙的总能量是恒定的，宇宙中所有的物质系统总能量保持不变，在每一个时刻，物质系统内的总能量量是不变的。
2.2热力学第一定律
3.焦耳实验 3.焦耳实验
将两个容量相等的容器，放在水浴中， 将两个容量相等的容器，放在水浴中， 左球充满气体，右球为真空。打开活塞， 左球充满气体，右球为真空。打开活塞， 气体由左球冲入右球，达平衡。 气体由左球冲入右球，达平衡。
焦耳实验的讨论， 焦耳实验的讨论，理想气体的热力学能 •水温未变，dT=0，δQ = 0 ；气体由 球向 水温未变， 气体由B球向 水温未变 ， A球自由膨胀， = 0 ；因此，dU=0。 球自由膨胀， 因此， 球自由膨胀 δW 。
§2.2 热力学第一定律
1.热力学第一定律 热力学第一定律
是能量守恒定律在热现象领域内的特殊形式，说明热 能量守恒定律在热现象领域内的特殊形式， 在热现象领域内的特殊形式 力学能、热和功之间可以相互转化，但总的能量不变。 力学能、热和功之间可以相互转化，但总的能量不变。 也可以表述为：第一类永动机是不可能制成的。 也可以表述为：第一类永动机是不可能制成的。 第一定律是人类经验的总结。 第一定律是人类经验的总结 第一类永动机（first kind of perpetual motion mechine) 一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能量， 却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机，它 显然与能量守恒定律矛盾。历史上曾一度热衷于制 造这种机器，均以失败告终，也就证明了能量守恒 定律的正确性。
∂U ∂U ) = 0 ( ∂V T
∂U ∂U ( )T = 0 ∂p
U = f (T )
2.封闭系统热力学第一定律的数学形式 2.封闭系统热力学第一定律的数学形式
∆U = Q + W
对微小变化： dU =δQ +δW 对微小变化 因为热力学能是状态函数， 因为热力学能是状态函数，数学上具有全微 分性质， 表示； 分性质，微小变化可用dU 表示；Q 和W 不是状态 表示，以示区别。 函数， 函数，微小变化用δ表示，以示区别。
热力学第一定律的建立
热力学第一定律的建立赵梁热力学第一定律，也就是能量守恒定律，是一切自然科学最重要的守恒律之一。
应该说，它的建立，是经典自然科学历史中最重要的发现。
我在这里介绍的，是1909年喀喇氏指出的热力学第一定律的一种更加符合逻辑的建立方式。
首先引入准静态过程，这是热物理学中极为重要的概念，它将系统的持续连续变化描述为间隔状态的连续，这应该是微分思想的一种应用吧。
准静态过程的一个重要性质是：当不考虑摩擦力作用时，系统所经历的过程可以用状态参量描述。
我们大学所进行的一切热力学计算几乎都是建立在这一性质基础之上的。
现在要思考能量传递的三种方式：1.功 2.热辐射 3.热传递。
这里，我们尚不知道热量为何物，在逻辑上，热量的概念暂时是不可能提出的，可以提到的是功。
至于热辐射，超出简单系统的范围，且对热力学第一定律的建立没有影响，不做考虑。
功，既是热物理的概念，也是力学的概念，其意义在于将几何参量的变化与力学参量的变化结合起来。
数学表达式为变化功=压强×变化体积将其推广得到广义力和广义体积，不再解释。
让我们看看Joule(焦耳)的两个实验，他试图找出功与系统的一个微妙关系：A.在一密闭隔热水箱的水中置一水轮，连线到水箱外的砝码，砝码自由下落带动水轮转动，测量砝码下落距离与水的温度变化；B.在一密闭隔热水箱的水中置一金属棒，两端接水箱外一电源，测量水温变化与电池作用时间及其功率。
从Joule的实验，我们注意到实验中系统的性质——绝热。
喀喇氏指出，绝热过程的定义不应使用热量这一概念，这正是喀喇氏理论的核心。
绝热过程定义为：系统状态的变化完全是由外界的机械功或电磁作用引起，这种过程叫绝热过程。
Joule的两个实验都是绝热过程。
实验的结论是：绝热过程中，外界对系统作功只与系统的初态和末态的状态有关，也就是说，一个系统的状态量在系统初与末时的差异等于从外界获得的功。
我们称这个状态量为内能。
其数学表达为系统末态内能—系统初态内能=外界对系统作功值或系统内能改变量=外界对系统作功值这就是内能的引入，似乎比我们想象的药简单，但要知道，Joule做了20年类似上面的两个实验，谈何容易。
热力学第一定律的内容及应用
目录摘要 (1)关键字 (1)Abstract: ......................................................................................... 错误!未定义书签。
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引言 (1)1．热力学第一定律的产生 (1)1.1历史渊源与科学背景 (1)1.2热力学第一定律的建立过程 (2)2.热力学第一定律的表述 (3)2.1热力学第一定律的文字表述 (3)2.2数学表达式 (3)3.热力学第一定律的应用 (4)3.1焦耳实验 (4)3.2热机及其效率 (5)总结 (7)参考文献 (7)热力学第一定律的内容及应用摘要：热力学第一定律亦即能量转换与守恒定律，广泛地应用于各个学科领域。
本文回顾了其建立的背景及经过，它的准确的文字表述和数学表达式，及它在理想气体、热机的应用。
关键字：热力学第一定律；内能定理；焦耳定律；热机；热机效率引言在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。
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。
1．热力学第一定律的产生1.1历史渊源与科学背景人类使用热能为自己服务有着悠久的历史,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。
中国古代就对火热的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”——金、木、水、火、土,就把火热看成是构成宇宙万物的五种元素之一。
热力学第一定律建立
热力学第一定律的建立历史背景热力学第一定律，表示系统从外界吸收的热量一部分用于增加系统的内能（），另一部分用于系统对外界作功（）。
它也可以被看作是能量守恒定律在涉及宏观热现象过程中的具体表述，阐述它的建立就应从能量守恒定律的建立开始。
能量守恒定律的建立是科学史上继牛顿力学之后又一次伟大的综合，它的发现是科学史上激动人心的一页。
19世纪40年代以前，自然科学的发展为能量守恒定律的发现奠定了多方面的基础。
力学的发展为能量守恒定律的建立准备了所必须的基本概念。
随着动力学的发展，17世纪中期曾发生了一场关于运动量度的争论。
其中德国科学家、哲学家莱布尼茨（F.von Leibniz，1646—1716）认为动力应由它所产生的效果来衡量，例如通过力能将一重物举起多高来估计力的大小。
他在与法国杰出的数学家、哲学家笛卡儿（R.Descartes，1596—1650）学派的争论中，把称为“活力”，并断言宇宙中真正守恒的量是活力。
不过，“活力”这个概念在18世纪是被当作一个形而上学的概念使用的，所以在实际的力学问题和关于机械效能的讨论中，人们更多地是采用力与路程的乘积这个更具力学直观性的物理量。
1782年，L.卡诺（L.Carnot，1753—1823）把力乘距离称为“活性力矩”，并将它与机械效应联系起来。
这就使这个量在动力学中具有了新的重要性。
后来法国科学家科里奥利（G.G.Coriolis，1792—1843）主张活力应表示为，因为这样一来，它在数值上就会等于它所能作的功，这就是现在所说的动能。
法国工程师彭塞利（J.V.Poncelet，1788—1867）受到科里奥利的影响，在1829年出版的《工程机械学导论》中，明确地推荐了“功”这一术语，并定出它的单位。
1807年，英国物理学家托马斯·杨（T.Young，1773—）创造了“能”这个词，用以表示莱布尼茨所述的“活力”，他在《自然哲学讲义》中写道：“应该用能量一词来表示物体的质量或重量与速度的平方的乘积”。
热力学第一定律的建立
热力学第一定律的建立历史背景热力学第一定律，表示系统从外界吸收的热量一部分用于增加系统的内能（），另一部分用于系统对外界作功（）。
它也可以被看作是能量守恒定律在涉及宏观热现象过程中的具体表述，阐述它的建立就应从能量守恒定律的建立开始。
能量守恒定律的建立是科学史上继牛顿力学之后又一次伟大的综合，它的发现是科学史上激动人心的一页。
19世纪40年代以前，自然科学的发展为能量守恒定律的发现奠定了多方面的基础。
力学的发展为能量守恒定律的建立准备了所必须的基本概念。
随着动力学的发展，17世纪中期曾发生了一场关于运动量度的争论。
其中德国科学家、哲学家莱布尼茨（F.von Leibniz，1646—1716）认为动力应由它所产生的效果来衡量，例如通过力能将一重物举起多高来估计力的大小。
他在与法国杰出的数学家、哲学家笛卡儿（R.Descartes，1596—1650）学派的争论中，把称为“活力”，并断言宇宙中真正守恒的量是活力。
不过，“活力”这个概念在18世纪是被当作一个形而上学的概念使用的，所以在实际的力学问题和关于机械效能的讨论中，人们更多地是采用力与路程的乘积这个更具力学直观性的物理量。
1782年，L.卡诺（L.Carnot，1753—1823）把力乘距离称为“活性力矩”，并将它与机械效应联系起来。
这就使这个量在动力学中具有了新的重要性。
后来法国科学家科里奥利（G.G.Coriolis，1792—1843）主张活力应表示为，因为这样一来，它在数值上就会等于它所能作的功，这就是现在所说的动能。
法国工程师彭塞利（J.V.Poncelet，1788—1867）受到科里奥利的影响，在1829年出版的《工程机械学导论》中，明确地推荐了“功”这一术语，并定出它的单位。
1807年，英国物理学家托马斯·杨（T.Young，1773—）创造了“能”这个词，用以表示莱布尼茨所述的“活力”，他在《自然哲学讲义》中写道：“应该用能量一词来表示物体的质量或重量与速度的平方的乘积”。
02_02-1第二章热力学第一定律
德国物理学家普朗克（1918年诺贝尔奖获得者）：在任何情形下，即 使其他的定律可以放弃，唯有热力学的两个定律无论如何不能违背！
热力学第一定律产生的背景
➢ 18世纪，力学家已得到并开始运用机械能守恒定律 ➢ 发现广义的能量守恒定律发生在19世纪40年代
亥姆霍兹 (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821-1894，德国)
创立能量守恒的数学定律(1847)。
二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家
1.德国的迈尔
罗伯特•迈尔（Robert Mayer,1814-1878)迈尔，1814出生 于德国海尔布隆一个药剂师家庭， 1832年进入蒂宾根大学医学系学习， 1837年因参加一个秘密学生团体而 被捕并被学校开除，1838年完成医 学博士学位论文答辩，获医师执照 而开始行医。1840年-1841年担任开 往东印度的荷兰轮船的随船医生。
但是关于这一原理的表述并不完善，恩格斯指出，运动的不灭 性不能仅仅从数量上去把握，还应从质的转化上去理解。于是恩 格斯将这一原理称之为“能量转化和守恒定律”。
3.海尔曼•亥姆霍兹(Hermann Helmholtz)
1838年考入柏林雷德里克•威廉皇家医学院， 以优异成绩于1842年毕业，担任了军医，并开始进 行物理学研究。
1b 2
2c1
2 V
( Q W ) ( Q W )
状态参数 1a2
1b 2
§ 2.2 热力学能（内能）和总能
热力学能（内能）U 代表储存于系统内部的能量（内储存能）
第五种力：化学力。
并列举了这些“力”之间相互转化的25种形式。
热力学第一定律建立过程
热力学第一定律建立过程热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，它描述了热量和能量之间的关系。
根据热力学第一定律，能量不会从不存在的地方创造出来，也不会消失不见，只会在系统内部进行转化和传递。
热力学第一定律可以用来描述物体的能量守恒原理。
在一个封闭系统中，能量的增加等于系统所吸收的热量减去系统所做的功。
即ΔE = Q - W，其中ΔE表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统所做的功。
这个定律揭示了能量的转化和守恒关系，为热力学研究提供了基础。
对于一个具体的过程，根据热力学第一定律可以得到不同的结论。
例如，在一个绝热容器中，当容器内的气体发生压缩时，系统所做的功为负值，表示气体对外界做了功。
而当气体被放松时，系统所做的功为正值，表示外界对气体做了功。
这个过程中，气体的内能变化和吸收或释放的热量有关。
热力学第一定律还可以用来分析热机的工作原理。
热机是利用热能转化为机械能的装置，如蒸汽机、内燃机等。
根据热力学第一定律，热机的效率可以通过以下公式计算：η = W/Qh，其中η表示热机的效率，W表示热机所做的功，Qh表示从热源吸收的热量。
这个公式表明了热机的效率与热量转化为功的比例有关，通过提高工作物质的温度差或减少热量损失可以提高热机的效率。
热力学第一定律在能量守恒和能量转化方面的应用非常广泛。
在工程领域中，热力学第一定律被用来分析能量系统的稳定性和效率。
例如，在能源产业中，通过热力学第一定律可以计算燃料的热值和利用率，优化能源利用方式。
在环境保护中，热力学第一定律可以用来分析能源消耗和碳排放的关系，指导减少能源消耗和降低碳排放的方法。
热力学第一定律是热力学研究的基础，描述了能量的转化和守恒关系。
它可以应用于各个领域，如工程、能源和环境等，为能源利用和环境保护提供了理论依据。
通过对热力学第一定律的研究和应用，可以更好地理解能量的转化和利用方式，推动可持续发展和绿色能源的实现。
化学史之热力学第一定律的建立
1840年他的第一篇重要的论文于被送到英国皇家学 会，当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导 体电阻和通电时间的关系，此即焦耳定律。 焦耳提出能量守恒与转化定律：能量既不会凭空消 失，也不会凭空产生，它只能从一种形式转化成另 一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而 能的总量保持不变，奠定了热力学第一定律（能量 不灭原理）之基础。焦耳做了迄今认为是设计思想 最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间安上带 有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由 于叶片和水的磨擦，水和量热器都变热了。 焦耳的实验装置，根据重物下落的高度，可以算出 转化的机械功；根据量热器内水的升高的温度，就 可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可 以求出热功当量的准确值来。 焦耳还用鲸鱼油代替 水来作实验，测得了热功当量的平均值为423.9千克 米/千卡。接着又用水银来代替水，不断改进实验方 法，直到1878年。这时距他开始进行这一工作将近 四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次的 实验。
迈尔是第一个完整提出能 量守恒与转化原理 焦耳采用了原理不同的 各种方法，他所获得的 日益精确的实验数据， 为热和功的相当性提供 了可靠的证据，使能量 守恒与转化定律建立在 牢固的实验基础之上。
赫姆霍兹是第一个从多方面论证能 量守恒与转化定律 德国的克劳修斯首先 提出了完整的热力学 第一定律的数学形式 列出全微分方程为 U是内能或热力学能， A是热功当量，W是外 功。
赫尔曼· 路德维希· 斐迪南德· 冯· 亥姆霍兹（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，1821～1894）德 国物理学家、数学家、生理学家、心理学家。他认为 ①一切科学都可以归结到力学。②强调了牛顿力学和 拉格朗日力学在数学上是等价的。③所有这种能量是 守恒的。亥姆霍兹发展了迈尔（Julius Robert Mayer）、詹姆斯· 普雷斯科特· 焦耳（James Prescott Joule）等人的工作，讨论了已知的力学的、 热学的、电学的、化学的各种科学成果，严谨地论证 了各种运动中能量守恒定律。在热力学研究方面，于 1882年发表论文《化学过程的热力学》，他把化学 反应中的“束缚能”和“自由能’区别开来，指出前 者只能转化为热，后者却可以转化为其他形式的能量。 他从克劳修斯的方程，导出了后来称作的吉布斯－亥 姆霍兹方程。他还研究了流体力学中的涡流、海浪形 成机理和若干气象问题。 在数学中，他研究了黎曼空间的几何、黎曼度量和数 学物理中的退化波动方程等课题。他提出的后经李改 进了的有关黎曼度量的论断以及李-亥姆霍兹空间问 题的重要性在许多自然科学领域中都得到了证实。
热力学第一定律的发展
热力学第一定律的发展热力学第一定律是热力学中的基本定律之一，它描述了能量的守恒原理。
通过研究物体的能量转化和传递过程，热力学第一定律揭示了能量在系统中的守恒规律。
本文将从热力学第一定律的发展历程出发，探讨其背后的物理原理和实际应用。
热力学第一定律最早由德国物理学家朱尔斯·朔朗兹于1850年提出。
朔朗兹通过一系列实验观察和分析，发现了能量从一种形式转化为另一种形式的规律。
他总结出一个基本原理：能量在系统中不会凭空消失或产生，只会从一种形式转化为另一种形式，并且在转化过程中能量的总量保持不变。
这就是热力学第一定律的核心内容。
热力学第一定律的表达方式有多种，其中最常见的是能量守恒的数学表达式：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做功。
这个表达式反映了系统内能的变化是由热量和功共同作用引起的。
热力学第一定律的发展并非一帆风顺。
在19世纪中叶，物理学家们对热力学第一定律的理解存在着争议。
一些学者认为，热力学第一定律只是一个经验规律，并不能通过理论推导得出。
而另一些学者则试图从微观角度解释热力学第一定律，寻找能量守恒的物理原因。
随着热力学理论的不断发展，热力学第一定律逐渐得到了更为深入的理解。
19世纪末，物理学家们发现热力学第一定律与能量守恒定律有着密切的联系。
能量守恒定律是物理学的基本原理之一，它表明在封闭系统中，能量的总量是不变的。
热力学第一定律则是能量守恒定律在热力学中的具体应用，它描述了能量在热力学系统中的转化和传递过程。
热力学第一定律的应用范围非常广泛。
在工程领域，热力学第一定律被广泛应用于热机、制冷设备和动力系统的设计和分析中。
通过研究能量的转化和传递过程，可以提高能源利用效率，减少能量浪费。
在环境科学领域，热力学第一定律可以用于分析地球系统中的能量平衡和气候变化等问题。
在生物学和生物医学领域，热力学第一定律可以用于研究生物体内能量转化和代谢过程。
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2.2热力学第一定律的建立2.2.1准备阶段19世纪40年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。
主要从以下几个方面作了准备。
1.力学方面的准备机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的一个特殊情况。
早在力学初步形成时就已有了能量守恒思想的萌芽。
例如，伽利略研究斜面问题和摆的运动，斯梯芬（Stevin，1548—1620）研究杠杆原理，惠更斯研究完全弹性碰撞等都涉及能量守恒问题。
17世纪法国哲学家笛卡儿已经明确提出了运动不灭的思想。
以后德国哲学家莱布尼兹（Leibniz，1646—1716）引进活力（Vis viva）的概念，首先提出活力守恒原理，他认为用mv2度量的活力在力学过程中是守恒的，宇宙间的“活力”的总和是守恒的。
D.伯努利（Daniel Bernoulli，1700—1782）的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律。
永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量守恒的例证，成为导致建立能量守恒原理的重要线索。
至19世纪20年代，力学的理论著作强调“功”的概念，把它定义成力对距离的积分，并澄清了它和“活力”概念之间的数学关系，提供了一种机械“能”的度量，这为能量转换建立了定量基础。
1835年哈密顿（W.R.Hamilton，1805—1865）发表了《论动力学的普遍方法》一文，提出了哈密顿原理。
至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容。
2.化学、生物学方面的准备法国的拉瓦锡（voisier，1743—1794）和拉普拉斯（place，1749—1827）曾经研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。
德国化学家李比希（J.Liebig，1803—1873）的学生莫尔（F.Mohr，1806—1879）则进一步认为不同形式的“力”（即能量）都是机械“力”的表现，他写道：“除了54种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。
力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。
”他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。
3.热学方面的准备伦福德伯爵（Count Rumford，原名本杰明·汤普森BenjaminThompson，1753—1814）在18世纪末，做了一系列摩擦生热的实验攻击热质说。
他仔细观察了大炮膛孔时的现象，1798年1月25日在皇家学会宣读他的文章①：“最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。
我发现，铜炮在钻了很短的一段时间后，就会产生大量的热；而被钻头从大炮上钻下来的铜屑更热（象我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热）。
”伦福德分析这些热是由于摩擦产生的，他说：“……我们一定不能忘记……在这些实验中，由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。
”伦福德的实验引起不小的反响。
在他的影响下，有一位英国化学家戴维（Humphry Davy， 1778—1829），曾在 1799年发表了《论热、光及光的复合》一文，介绍了他所做的冰块摩擦实验，这个实验为热功相当性提供了有说服力的实例，激励更多的人去探讨这个问题。
4.电磁学方面的准备19世纪二、三十年代，电磁学的基本规律陆续发现，人们自然对电与磁、电与热、电与化学等关系密切注视。
法拉第（MichaelFaraday，1791—1867）尤其强调各种“自然力”的统一和转化，他认为“自然力”的转变，是其不灭性的结果。
“自然力”不能从无生有，一种“力”的产生是另一种“力”消耗的结果。
法拉第的许多工作都涉及转化现象，如电磁感应、电化学和光的磁效应……等。
他在1845年发表一篇讨论磁对光的作用的论文，表述了他对“力”的统一性和等价性的基本概念，他写道：“物质的力所处的不同形式很明显有一个共同的起源，换句话说，是如此直接地联系着和互相依赖着，以至于可以互相转换，并在其行动中，力具有守恒性。
”“力”的转化这一概念使他做出重要的发现。
在电与热的关系上，1821年塞贝克（Seebeck）发现的温差电现象是“自然力”互相转化的又一重要例证。
后面还将提到焦耳（J.P.Joule，1818—1889）在1840年研究了电流的热效应，发现i2R定律，这是能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。
2.2.2能量转化与守恒定律初步形成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。
埃瓦特（Peter Ewart， 1767—1842）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。
丹麦工程师和物理学家柯尔丁（L.Colding，1815—1888）对热、功之间的关系也作过研究。
他从事过摩擦生热的实验，1843年丹麦皇家科学院对他的论文签署了如下的批语①“柯尔丁的这篇论文的主要思想是由于摩擦、阻力、压力等造成的机械作用的损失，引起了物体内部的如热、电以及类似的动作，它们皆与损失的力成正比。
”俄国的赫斯（G.H.Hess，1802—1850）在更早就从化学的研究得到了能量转化与守恒的思想。
他原是瑞士人，3岁时到俄国，当过医生，在彼得堡执教，他以热化学研究著称。
1836年赫斯向彼得堡科学院报告：“经过连续的研究，我确信，不管用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的，这个原理是如此之明显，以至于如果我不认为已经被证明，也可以不加思索就认为它是一条公理。
”②在以后的岁月里赫斯鉴于上述原理的巨大意义，从各方面进行了实验验证，于1840年3月27日在一次科学院演讲中提出了一个普遍的表述③：“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取决于化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。
”以后他把这条定律广泛应用于他的热化学研究中。
赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理；热和功的总量与过程途径无关，只决定于体系的始末状态。
体现了系统的内能的基本性质——与过程无关。
赫斯的定律不仅反映守恒的思想，也包括了“力”的转变思想。
至此，能量转化与守恒定律已初步形成。
其实法国工程师萨迪·卡诺（Sadi Carnot， 1796—1832）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。
”“因此人们可以得出一个普遍命题：在自然界中存在的动力，在量上是不变的。
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。
”卡诺未作推导而基本上正确地给出了热功当量的数值：370千克米/千卡。
由于卡诺过早地死去，他的弟弟虽看过他的遗稿，却不理解这一原理的意义，直到1878年，才公开发表了这部遗稿。
这时，热力学第一定律早已建立了。
2.2.3能量转化与守恒定律的确立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（Robert Mayer，1814—1878）、赫姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821—1894）和英国的焦耳。
1.迈尔的工作迈尔是一位医生。
在一次驶往印度尼西亚的航行中①，迈尔作为随船医生，在给生病的船员放血时，得到了重要启示，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。
当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。
他还听到海员们说，暴风雨时海水比较热。
这些现象引起了迈尔的沉思。
他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热。
在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。
他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。
迈尔在1842年发表的题为《热的力学的几点说明》中，宣布了热和机械能的相当性和可转换性，他的推理如下①：“力是原因：因此，我们可以全面运用这样一条原则来看待它们，即‘因等于果’。
设因c有果e，则c=e；反之，设e为另一果f之因，则有e=f等等，c=e=f=…=c在一串因果之中，某一项或某一项的某一部分绝不会化为乌有，这从方程式的性质就可明显看出。
这是所有原因的第一个特性，我们称之为不灭性。
”接着迈尔用反证法，证明守恒性（不灭性）：“如果给定的原因c产生了等于其自身的结果e，则此行为必将停止；c变为e；若在产生e后，c仍保留全部或一部分，则必有进一步的结果，相当于留下的原因c的全部结果将＞e，于是就将与前提c=e矛盾。
”“相应的，由于c 变为e，e变为f等等，我们必须把这些不同的值看成是同一客体出现时所呈的不同形式。
这种呈现不同形式的能力是所有原因的第二种基本特性。
把这两种特性放在一起我们可以说，原因（在量上）是不灭的，而（在质上）是可转化的客体。
”迈尔的结论是：“因此力（即能量）是不灭的、可转化的、不可秤量的客体。
”迈尔这种推论方法显然过于笼统，难以令人信服，但他关于能量转化与守恒的叙述是最早的完整表达。
迈尔在1845年发表了第二篇论文：《有机运动及其与新陈代谢的联系》，该文更系统地阐明能量的转化与守恒的思想。
他明确指出：“无不能生有，有不能变无”，“在死的和活的自然界中，这个力（按：即能量）永远处于循环转化的过程之中。
任何地方，没有一个过程不是力的形式变化！”他主张：“热是一种力，它可以转变为机械效应。
”论文中还具体地论述了热和功的联系，推出了气体定压比热和定容比热之差C p-C v等于定压膨胀功R的关系式。
现在我们称C p-C v=R为迈尔公式。
接着迈尔又根据狄拉洛希（Delaroche）和贝拉尔德（Berard）以及杜隆（Dulong）气体比热的实验数据Cp=0.267卡/克·度、Cv=0.188卡/克·度计算出热功。
计算过程如下：在定压下使1厘米3空气加热温升1度所需的热量为：Q p=me p△t=0.000347卡（取空气密度只ρ=0.0013克/厘米3）。
相应地，在定容下加热同量空气温升1度消耗的热Qv=0.000244卡。
二者的热量差Q p-Q v=0.000103卡。
另一方面，温度升高1度等压膨胀时体积增大为原体积的1/274倍；气体对外作的功，可以使1.033千克的水银柱升高1/274厘米。
即功=l.033×或3597焦耳/千卡，现在的精确值为4187焦耳/千卡。
迈尔还具体地考察了另外几种不同形式的力。
他以起电机为例说明了“机械效应向电的转化。
”他认为：“下落的力”（即重力势能）可以用“重量和（下落）高度的乘积来量度。