关于热力学第一定律的论文

1.关于热力学第一定律

热力学第一定律

thermodynamics,first law of

基本内容:热可以转变为功,功也可以转变为热;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。

热力学第一定律是对能量守恒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递给另一个物体,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。

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或Q=ΔU+A这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外,还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z,则应为ΔU=Q-A+Z。当然,上述ΔU、A、Q、Z均可正可负。对于无限小过程,热力学第一定律的微分表达式为

dQ=dU+dA因U是态函数,dU是全微分;Q、A是过程量,dQ和dA只表示微小量并非全微分,用符号d以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态,只要求系统初、终态是平衡态,与中间状态是否平衡态无关。

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作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

2.如何理解热力学第一定律在宇宙研究中的应用

热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡,那么它们也必定处于热平衡热力学第一定律:如果一个系统与环境孤立,那么它的内能将不会发生变化。

引申得到,体系的内能变化等于它从环境吸收的热量与环境在其之上做功的总和。(delta)U=(delta)w+(delta)q热力学第二定律有几种表述方式:克劳修斯表述:热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体,但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物;开尔文-普朗克表述:不可能从单一热源吸取热量,并将这热量变为功,而不产生其他影响。

熵表述:随时间进行,一个孤立体系中的熵总是不会减少。热力学第三定律:通常表述为绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零。

R.H.否勒和E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式:任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0k,称为0K不能达到原理。一、热力学第一定律在19世纪早期,不少人沉迷于一种神秘机械,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激烈的讨论,这种不需要外界提供能量的永动机称为第一类永动机。热力学第一定律是能量守恒定律,它是说能量可以由一种形式变为另一种形式,但其总量既不能增加也不能减少,是守恒的。

本世纪初爱因斯坦发现能量和质量可以互变,所以能量守恒定律改为质能守恒定律。这一定律指出物质既不能被消灭也不能被创造,一度被无神论当作宇宙永恒的根据.热力学第一定律的产生是这样的: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。

二、热力学第二定律在人们认识了能的转化和守恒定律后,制造永动机的梦想并没有停止下来。不少人开始企图从单一热源(比如从空气、海洋)吸收能量,并用来做功。

将热转变成功,并没有违背能量守恒,如果能够实现,人类就将有了差不多取之不尽的能源,地球上海水非常丰富,热容很大,仅仅使海水的温度下降1℃,释放出来的热量就足够现代社会用几十万年,从海水中吸取热量做功,则航海不需要携带燃料!这种机械被人们称为第二类永动机。但所有的实验都失败了,因为这违背了自然界的另一条基本规律:热力学第二定律。

1824年,法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环(即卡诺循环)的研究,得出结论:热机必须在两个热源之间工作,热机的效率只取决与热源的温差,热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100%。

即热量不能完全转化为功。1850年,克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理,指出:一个自动运作的机器,不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化,这就是热力学第二定律。

不久,开尔文又提出:不可能从单一热源取热,使之完全变为有用功而不产生其他影响;或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低,从而获得机械功。这就是热力学第二定律的"开尔文表述"。

奥斯特瓦尔德则表述为:第二类永动机不可能制造成功。热力学第二定律有多钟说法,最流行的有两种:1.克劳修斯(Clausius)的表述:"热量由低温物体传给高温物体而不引起其它变化是不可能的"。

热量从高温传到低温处的过程可自发进行,反之,热量从低温传到高温处虽可以进行,但有条件,如通过制冷机将热从低温处转到高温处,除了这部分能量转化之外,必然引起其它变化,就是还要消耗电功变成热,就是说,使热量从低温向高温转移的同时,需消耗另一部分功,变成为热。2.开尔文(Kelvin)的表述:"从单一热源取出热使之完全变为功,而不发生其它变化是不可能的"。

这种说法的意思是从功转变成热,可不引起其它变化,(如摩擦生热,机械功完全转成热而不发生其它变化),但是其反过程,将热变成功,除了这些能量转换外,必然引起其它变化,否则就不能发生。克劳修斯和开尔文的两种表述实际上是一致的,假如热量可以由低温传给高温物体而不引起其它变化,则热可以完全变为功而不引起其它变化;在上述例子中,如果可以无条件地将低温热源中的热传给高温热源,则整个过程是高温热源中的热完全转变为功(热没有消耗到低温处),并且没有发生其它变化(气体的状态没有变化)。

即克劳修斯的说法不成立的话,则开尔文的说法也不能成立,两种表述是一致的。当然,"第二类永动机是不能制成的"也是一种较流行的说法。

热力学第二定律是人类从生产和生活实践中所总结出来的经验规律,它的命运不象热力学第一定律那样一帆风顺,从它的诞生到20世纪初都在不。

3.热力学第一定律的发展简史

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 “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。” 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:“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。 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(RobertMayer,1814—1878)、赫姆霍兹(Hermann von Helmholtz,1821—1894)和英国的焦耳。 迈尔的实验 迈尔是一位医生。

在一次驶往印度尼西亚的航行中 ,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,发现静脉血不像生活在温带国家中的人那样颜色暗淡,而是像动脉血那样新鲜。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,它像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 : “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。

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