热力学第一定律:热力学第一定律是谁发现的

热力学第一定律

专业：[应用化学]

学生姓名：[孟辉辉]

学 号：[21207110]

摘要：热力学第一定律即能量守恒及转换定律，在热学中占有重要的地位，广泛地应用于学科的各个领域，和热力学第二定律一起构成了热力学的基础，因此，深刻地理解和掌掘该定律显得尤为重要，本文阐述了其产生的历史背景，具体内容及其应用等。

关键词：热力学第一定律 历史背景 内容 应用

一、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。人类在古代就对火热的本性进行了探讨，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。

然而1798年和1799年, 伦福德和戴维先后以金属钻屑实验和两块冰在真空容器中摩擦融化的实例对热质说进行反驳, 无可争辩的事实, 迫使人们去寻找更新的理论。

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。

二、相关学科的支持与准备

在热力学第一定律形成之前, 自然科学的发展在很多方面为能量守恒和转化定律奠定了基础, 在不同的方面为定律的建立作好了前期的准备, 主要体现在以下几个方面：

1、物理学方面

机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的特殊情况, 早在力学形成之初便有了能量守恒的萌芽,十七世纪已构成了明确的运动不灭思想, 几百年来,永动机未能造成的事实, 也从反面提供了能量守恒的例证。1835年哈密顿原理的

提出, 致使机械能守恒已经成为力学中的基本内容。十九世纪二、三十年代, 电磁学规律陆续发现, 人们自然对电与磁、电与热, 电与化学等关系密切注视, 法拉第的许多工作都涉及能量转化现象, 如电磁感应、电化学和光的磁效应等等。而塞贝克于1821年发现的温差电现象则是“ 自然力” 互相转化的又一重要例论。

2、生物学与化学方面

在当时, 拉瓦锡和拉普拉斯早已证明某一化学反应过程所放出的热量等于它的逆反应过程所吸收的热量, 李比希设想动物的体热和它的机械活动的能量, 可能来自食物的化学能。莫尔则进一步理解为不同形式的“ 力” 都是“ 机械力” 的表现,力在适当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。总之, 到了十九世纪四十年代前后, 各种自然现象之间相互联系和转化的事实已被相继发现, 欧洲科学思想中已经普遍蕴含着一种气氛, 即以一种联系的观点去观察自然。这些思想为热力学第一定律的最终建立创造了良好的科学环境。

三、热力学第一定律的确立

能量守恒和转化定律的发现与其他基本物理规律的发现的最大不同之处在于它不是某一位科学家独立研究而提出的, 而是由许多科学家在不同的研究领域分别发现的。到了十九世纪四十年代前后,西欧的四、五个国家, 从事七、八种专业的十多位科学家分别通过不同的途径, 各自独立地发现了能量守恒与转化规律, 而其中最主要的又首推迈尔、焦耳和亥姆霍兹的工作。

1、迈尔的工作

罗伯特·迈尔是一位德国医生, 通过对温带与热带地区人类静脉血液颜色的差异的对比分析, 意识到了食物化学能可以像机械能一样生热, 它们之间应该而且也可以以量的关系转化。1842年, 他将这些观点写成题为《论无机界的力》的论文, 在这篇文章中迈尔从“无不生有, 有不变无”和“原因等于结果”等哲学观点出发, 表达了物理、化学过程中力的守恒思想, 提出了建立不同的“ 力” 之间数量上的当量关系的必要性。1845年, 迈尔在另一论文《与有机运动相联系的新陈代谢》中更是进一步肯定了力的转化与守恒规律是支配宇宙的普遍规律, 并且通过对“运动的力”,“下落力”,“热”,“电”,“化学力”等不同的具体

形式进行讨论, 得出了著名的迈尔公式CP-CV=R, 继而得出热功当量值J=△W/△

Q=365千克米/千卡, 相当于3.6焦耳/卡(1千克米/千卡=9.8×10-3焦耳/卡, 以下同)最先以量化的形式给出了运动形式的转化关系。

2、焦耳的工作

英国科学家焦耳关于热功当量的测定, 为最终确立热力学第一定律奠定了坚实的实验基础, 1840年焦耳通过测定电流通过电阻线所放出的热量, 总结出了著名实验定律—焦耳定律, 即Q=0.2412 RT,此后,他先后作了400多次实验, 验证了“热与机械力是可以互相转换的”, 最后得出热功当量值为423.83千克米/千卡。

1845年, 焦耳进一步做了通过绝热压缩空气过程的功与空气升温时的定量关系的实验,之后, 又进行了空气向真空自由膨胀的实验（即现称的焦耳实验）以及它和W.汤姆生合作的绝热节流膨胀实验焦一汤效应实验。后来又经过一系列极为精确的实验, 焦耳又将热功当量值确定为423.85千克米/千卡(4.153焦耳/卡), 这已和现代精确实验极为接近了他和迈尔分别从不同的方面和不同的途径达到了对能量转化与守恒的证明。

3、亥姆霍兹的工作

德国物理学家亥姆霍兹从多方面论证了能量转化与守恒定律, 其中最主要的是从否定永动机的存在这一途径来完成的。亥姆霍兹又从无摩擦的力学过程、光的干涉的明暗条纹、理想弹性体的运动、电和磁等多方面加以了分析和例证, 他的这一工作从理论上对能量守恒原理作出了重要概括。亥姆霍兹所拟定的纲领, 成为了以后一个时期物理学发展的基本内容, 给了那个时代整个物理学界强有力的影响。

4、热力学第一定律的内容

热力学第一定律的文字表述是：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另外一种形式，从一个物体传递到另外一个物体，在传递与转化中能量的数量不变。从中可知，能量既不会消失也不会无中生有，转化的过程中具有不灭性，而作功必须由能量转化而来，所以，永动机是不町能实现的。因此，热力学第一定律也可表述为：第一类永动机是不可能造成的。

5、热力学第一定律的数学表达式

将一个热力学系统经过一定的热力学过程由初态A转变到末态B，系统与外界交换的热量为Q．与外界做的功为W，计算出Q+W的值，再让系统经过多次不同的热力学过程由初态A转变到末态B。再计算出Q+W的值，我们会发现其结果是一样的，这说明了，一个热力学系统在转化的过程中，只要初态和末态相同．其能量的变化Q+W的值也相同，与A到B所经历的过程无关。这样，就可以引进一个态函数来表示热力学系统在热力学过程中内能的变化，这个态函数定义为内能，用U表示，即系统内能的的增量等于外界对系统所做的功和传递给系统的热量之和。然而，系统的内能可能是增加的也可能是减少的，因为系统可能是吸收外界的能量或者对外放出能量，可能外界对系统作功或者系统对外界作功，因此，其数学表达式就有多种形式，如下：

△U=Q+W (1)

△U=Q-W (2)

△U=一Q+W (3)

△U=一Q—W (4)

以上四种形式中，△U、Q和W这三个物理量的正负取值不同，其表达的物理意义也不同。

在(1)式中，若△U>O，表示系统内能增加；若Q>O，表示系统从外界吸收热 量：若W>O，表示外界对系统作功。

在(2)式中，若△U>O，表示系统内能增加；若Q>O，表示系统从外界吸收热 量；若W>O．表示系统对外界作功。

在(3)式中，若△U>O，表示系统内能增加；若Q>O．表示系统向外界输出热 量；若W>O，表示外界对系统作功。

在(4)式中，若△U>O，表示系统内能增加；若O>O，表示系统向外界放出热 量；若W>O，表示系统对外界作功。

若每个式子中的变量正负号取值相反，其表达的物理意义也恰好相反。

四、热力学第一定律的图示讲解

(1) 系统是将一部分物体从其它部分中划分出来作为研究的对象, 而在系统以外并与系统有相互作用的部分则称之为环境。若把研究的系统与有相互作用的环境共同考虑, 则可构成一个与外界既没有能量交换, 又没有物质交换的全新系统——孤立系统。使学生理解, 究竟选择哪一部分物体作为系统, 这并没有一定的规则, 而是根据具体的情况, 以处理问题的方便为准则。

（2）图中虚线所包围的部分即我们所研究的对象——系统, 它只与环境间进行能量的交换, 而没有物质的传递, 这样的系统称之为“封闭系统”。其中,虚线表示系统与环境之间一定存在的一个边界, 该边界既可以是真实的, 也可以是虚构的; 既可以是刚性的, 也可以是活动的。热力学研究的系统均为封闭系统, 孤立系统是个特例。使学生明白, 由此展开的一系列学习内容都是建立在这样的基础之上, 除非特别注明。

（3）从图中可以看出, 系统状态的改变是因为系统与环境之间进行了能量的交换的结果, 根据能量守恒定律知: 系统与环境的能量变化, 大小相等, 方向相反, 即互为相反数, ±△U系统=μ△U环境。若把研究的系统与环境合为孤立系

统, 可知在孤立系统中各物体的内能总和恒定不变, 这是热力学第一定律的又一种表述。

(4) 从图中可以看出, 热和功只是系统与环境之间能量交换的一种形式,

当一个系统由状态A 经过热和功的传递变到状态B 时, 虽然通过给系统提供能量, 其内能增加了, 但并不是把热量贮存到了系统中去, 另外, 系统对环境做功, 也不能说系统做功的能力增强了。从图可知, 当一个变化结束后, 看不到热和功的影子, 它只有在变化的过程中体现出来, 而当热和功一旦“跨入”系统的边界, 能量的传递即告结束, 不再称为热和功。以热和功传递的能量已经变为系统或环境内部能量的一部分, 在体系的能量中已无法辨认哪部分是由热和功转变而来, 哪部分不是。这样可使学生更好的理解热和功不是状态函数,而只是过程量, 只有在变化过程中才有意义。因此同样的始、终态, 不同的变化过程, 热和功的数值可能有很大的不同, 所以才在后面的篇幅中来探讨和解决不同过程中热和功的计算问题。

五、热力学第一定律的应用

热力学第一定律的数学表达式以数学的形式表达了能的转化和守恒定律，在实际中有着广泛的应用。在解题时应分三个步骤，第一，明确研究对象，即确定研究的足那个物理或热力学系统；第二，分析研究对象内能的变化是由本身还是外界还是共同经过哪些过程引起的；第三，根据引起变化的过程确定△U、Q和w的物理意义和正负号，代入公式求解，下面举例说明。

例：水在一个标准大气压下沸腾时，汽化热为L=2264]／g，这时质量m=lg的水变为水蒸气，其体积由V1=1.043cm3变为V2=1676cm3，在该过程中水吸收的

热量是多少?水蒸气对外界做的功是多少?增加的内能是多少?

解析：lg水汽化过程中吸收的热量为：

Q=mL=lg×2264J／g=2264J

水蒸气在1个标准大气压下做等压膨胀，对外界所做的功为：

W=ρ。(V2一VI)=1.013 X105×(1676一1.043)×106=169.7J

根据热力学第一定律，水由液态变为气态增加的内能为：

△U=Q-W=(2264-169.7)J=2094.3J

从上题的解析可以看出，正确理解题意，准确确定系统是吸收热量还 是放出热量，是系统对外界作功还是外界对系统作功是解决问题关键。

六、热力学第一定律的伟大历史作用

能量守恒和转化定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步, 它揭示自然界是

一个互相联系、互相转化的统一体, 第一次在空前广阔的领域里把自然界各种运动形式联系起来, 以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图象。在理论上, 这个定律的发现对自然科学的发展和建立辩证唯物主义自然观提供了坚实的基础。在实践上, 它对于永动机之不可能实现, 给予了科学上的最后判决, 使人们走出幻想的境界, 从而致力于研究各种能量形式相互转化的具体条件, 以求最有效地利用自然界提供的各种各样的能源。热力学第一定律的建立, 为自然科学领域增添了崭新的内容, 同时也大大推动了哲学理论的前进。现在, 随着自然科学的不断发展, 能量守恒和转化定律经受了一次又一次的考验, 并且在新的科学事实面前不断得到新的充实与发展。特别是相对论中质能关系式的总结, 使人们对这一定律的认识又大大地深化了一步, 即在能量和质量之间也能发生转换。

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