热力学第一定律完整

热力学第一定律

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、热机等方面的应用。

关键词：热力学第一定律能量转换理想气体

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。

北宋时刘昼更明确指出“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火。”古希腊米利都学派的那拉克西曼德（Anaximander,约公元前611—547) 把火看成是与土、水、气并列的一种原素,它们都是由某种原始物质形成的世界四大主要元素。恩培多克勒（Empedocles,约公元前500—430）更明确提出四元素学说,认为万物都是水、火、土、气四元素在不同数量上不同比例的配合,与我国的五行说十分相似。但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。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,为热功相当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

在18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注

热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。1798年，汤普生通过实验否定了热质的存在。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。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。德国物理学家、医生迈尔：德国物理学家、医生迈尔（JuliuRobert Mayer，1814～1878）1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，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。他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。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。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但1842年发表的这篇科学杰作当时未受到重视。

1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》论文，强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。他自己1878年与1849年的测验结果相同。后来公认值是427千克重·米每千卡。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。

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[1]。

2 热力学第一定律的内容

2．1 简介

热力学第一定律也叫能量不灭原理，就是在热力学范围内的能量守恒定律。热可以转变为功，功也可以变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消

失时，也必产生一定的功。普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。

2.2 发展

18世纪以来，流行一时的“热质说”相继为朗德福、迈尔、焦耳等人所推翻。他们证明热是物质运动的一种表现，并逐步归纳成第一定律的表述方式。其中焦耳于1840—1850年进行的热功当量实验为这一定律的科学表述奠定了基础。焦耳的实验表明，机械能所做的功W 其转换得到的热量Q 之间存在着严格的数量关系，不管转换的过程如何，一个单位的热量永远相当于E 单位的功，即W=EQ ，式中E 称为热功当量。

2.3 表述

热力学第一定律是对能量守恒定律和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。

热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能不断地做功而无需任何燃料和动力的机器。是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。

3 热力学第一定律的生物学应用

热力学中的研究对象称为热力学系统——开放系统、封闭系统、孤立系统。 生物体是一个开放热力学系统，生命现象是一种广义的热力学过程。

我们以一个人体作为一个研究单位，通过观测人体内热的产生、传递，人体与外界的热交换等来评测人体的健康程度，这有利于疾病的预防。

1.热力学第一定律

热力学第一定律： ∆Q = ∆E + ∆W

热交换=分解代谢+动物体传递给其他系统的机械功 生物的热交换通常不是均匀的，所以用其除以时间t 得到速率。

把等号两边同时除以∆t ，得到热交换率、分解代谢率、动物体传递给其他系统的机械功率之间的关系式。

分解代谢率可通过观察人把食物转换成能量和废物时利用氧的速率，即氧消耗率来精确测量。

热交换率可通过观察人在一定时间段内体温变化求出人在特定时段与外界的热交换律。

动物体传递给其他系统的机械功率可以通过分解代谢率和热交换率间接求t

W t Q t E ∆∆-∆∆=∆∆