2022年热力学第一定律--论文.docx

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1、精品学习资源热力学第肯定律摘 要：热力学第肯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；本文回忆了其建立的背景及经过， 它的精确的文字表述和数学表达式， 及它在抱负气体、热机的应用；关键字：热力学第肯定律；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奇机械第一类永动机的制造，由于这种设想中的机械只需要一个初始的力气就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料， 却能自动不断地做功； 在热力学第肯定律提出之前， 人们始终环围着制造永动机的可能性问题绽开猛烈的争论； 直至热力学第肯定律发觉后， 第一类永动机的神话才不攻自破；本文就这一宏大的应用于生产生活

2、多方面的定律的建立过程、具体表述、及生活中的应用热机，进行简洁绽开；1热力学第肯定律的产生人类使用热能为自己服务有着悠久的历史, 火的创造和利用是人类支配自然力的宏大开端 , 是人类文明进步的里程碑； 中国古代就对酷热的本性进行了探讨 , 殷商时期形成的“五行说”金、木、水、火、土, 就把酷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 , 故炼金就水出 , 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 Em

3、pedocles, 约公元前 500430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协作, 与我国的五行说非常相像；但是人类对热的本质的熟悉却是很晚的事情； 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, 并用以较圆满地说明白诸如由热传导从而导致热平稳、相变潜热和量热学等热现象, 因而这种学说为当时一些闻名科学家所接受, 成为十八世纪热力学占统治位置的欢迎下载精品学习资源理论；十九世纪以来热之唯动说慢慢地为更多的人们所留意；特殊是英国化学家和物理学家克鲁克斯 M.Crook

4、es，18321919, 所做的风车叶轮旋转试验 , 证明白热的本质就是分子无规章动的结论；热动说较好地说明白热质说无法说明的现象, 如摩擦生热等；使人们对热的本质的熟悉大大地进了一步； 戴维以冰块摩擦生热融解为例而写成的名为论热、光及光的复合的论文, 为热功相当供应了有相当说服力的实例, 鼓励着更多的人去探讨这一问题；热力学第肯定律的建立过程在 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，汤普生通过试验否认了热质的存在；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，

5、这是热力学第肯定律的第一次提出； 焦耳设计了试验测定了电热当量和热功当量，用试验确定了热力学第肯定律，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，181418781840 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， 发觉体力和体热来源于食物中所含的化学能， 提出假如动物体能的输入同支出是平稳的， 全部这些形式的能在量上就必定守恒； 他由此受到启示， 去探究热和机械功的关系； 他将自己的发觉写成论力的量和质的测定一文，但他的观点缺少精确的试验论证，论文没能 发表直到 1881 年他逝世后才发表

6、；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 恒定律并运算出热功当量的人；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、不会毁灭的，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 多次试验， 得出结论： 热功当量是一个普适常量，

7、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；这说明白焦耳不愧为真正的试验大师； 他的这一试验常数，为能量守恒与转换定律供应了无可置疑的证据；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，从欢迎下载精品学习资源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1动形式之间的统一性， 它们不仅可以相互转化， 而且在量上仍有一种确定的关系； 能量守恒与转化使物理学到达空前的综合与统一； 将能量守恒定律应用到热力学上， 就是热力学第肯定律 ；2自然界一切物体都具有能量， 能量有各种不同

8、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肯定律， 也称为能量转换与守恒定律， 这肯定律也被表示为： 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；内能定理将能量守恒与转换定律应用于热效应就是热力学第肯定律，但是能量守恒与转化定律仅是一种思想， 它的进展应借助于数学； 马克思讲过， 一门科学只有到达了能胜利地运用数学时，才算真正进展了；另外，数学仍可给人以公理化方法，即选用少数 概念和不证自明的命题作为公理，以此为动身点，层层推论，建成一个严密的体系； 热力学也理应这样的进展起来；所以下

9、一步应当建立热力学第肯定律的数学表达式； 第肯定律描述功与热量之间的相互转化， 功和热量都不是系统状态的函数， 我们应当找到一个量纲也是能量的，与系统状态有关的函数即态函数，把它与功和热量联系起来，由此说明功和热量转换的结果其总能量仍是守恒的；在力学中，外力对系统做功， 引起系统整体运动状态的转变， 使系统总机械能包括动能和外力场中的势能发生变化；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； 而在热学中， 煤质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所转变的能量发生在系统内部；内能是系统内部全部微观粒子 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

10、能是状态函数， 处于平稳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；内能定理从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统做功，内能也增加；假 设系统既吸热， 外界又对系统做功， 就内能增加应等于这两者之和； 为了证明内能是欢迎下载精品学习资源态函数，也为了能对内能做出定量的定义， 先考虑一种较为简洁的情形绝热过程， 即系统既不吸热也不放热的过程； 焦耳做了各种绝热过程的试验， 其结果是： 一切绝热过程中使水上升相同的温度所需要做的功都是相等的；这一试验事实说明，系统在从同一初态变为同一末态的绝热过程中， 外界对系统做的功是一个恒量， 这个恒量欢迎下载精品学习资源就被定义为

11、内能的转变量，即U 2U 1W绝热内能定理由于W绝热 仅与初态、末态欢迎下载精品学习资源3有关，而与中间经受的是怎样的绝热过程无关，故内能是态函数；热力学第肯定律的数学表达式假设将 U 2U1W绝热 推广为非绝热过程，系统内能增加仍可来源于从外界吸欢迎下载精品学习资源热 Q，就U 2U 1QW 热力学第肯定律一般表达式欢迎下载精品学习资源4这就是热力学第肯定律的数学表达式； 前面已讲到， 功和热量都与所经受的过程有关， 它们不是态函数， 但二者之和却成了仅与初末状态有关、 而与过程无关的内能转变量了 ；抱负气体的内能仅是温度的函数 ,即UU T1这一规律称为焦耳定律， 是一个很重要的定律 ,它

12、是抱负气体宏观定义的两个条件之一；从微观角度很简洁懂得 ,由于抱负气体忽视分子间的作用力 ,不考虑分子问的相互作用势能；在宏观理论中,一般是通过介绍焦耳试验得到焦耳定律的；取 1 摩尔气体 ,由热力学关系式U VT1V TTUUV欢迎下载精品学习资源可以得到U TCm, pV TUU2欢迎下载精品学习资源其中U , V 和Cm,v , 分别为气休的摩尔内能、摩尔体积和定容摩尔热容量 ,T 为气休的热力学温度 , 为了测定气体的内能对体积的依靠关系 , 焦耳曾于 1845 年做了如下图的气体自由膨胀试验 , 容器 A中布满被压缩的气体 , 容器 B为真空,A、B相联处用欢迎下载精品学习资源一活门

13、 C隔开,整个装置放入量热器的水中； 当活门 C打开后,气体将自由膨胀布满整个容器；这就是闻名的焦耳试验；焦耳测量了气体膨胀前后水的平稳温度, 发觉水的平稳温度没有转变；这一结果说明两点,第一, 气体在膨胀过程中与水没有热量交换,因而气体进行的是绝热自由膨胀过程；其次, 膨胀前后气体的温度没有转变；由第一点, 依据热力学第肯定律可知； 气体的绝热自由膨胀是一个等内能过程 , 由其次点再依据 2式, 有U0VT5即焦耳试验的结果说明气体的内能仅是温度的函数；18 世纪第一台蒸汽机问世后, 经过很多人的改良 , 特殊是纽科门和瓦特的工作 , 使蒸汽机成为普遍适用于工业的万能原动机, 但其效率却始终

14、很低, 只有 3%5%左右,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；人们始终在为提高热机的效率而努力 , 在摸索中对蒸汽机等热机的结构不断进行各种尝试和改良 , 尽量削减漏气、散热和摩擦等因素的影响 , 但热机效率的提高照旧很柔弱；这就不由得让人们产生疑问 : 提高热机效率的关键是什么 .热机效率的提高有没有一个限度 .1824 年法国青年工程师卡诺分析了各种热机的设计方案和基本结构, 依据热机的基本工作过程 , 争论了一种抱负热机的效率 , 这种热机确定了我们能将吸取的热量最大限度地用来对外做有用

15、功 此即闻名的卡诺定理 , 且该热机效率与工作物质无关 , 仅与热源温度有关, 从而为热机的争论工作确定了一个正确的目标6 ；热机热机是指把连续将热转化为功的机械装置 , 热机中应用最为广泛的是蒸汽机；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；热机的简化工作原理图如图 1 所示；欢迎下载精品学习资源图 1 热机简化原理图热机循环工作物质从高温热源吸热所增加的内能不能全部转化为对外做的有用功, 仍需对外放出一部分热量 , 这是由循环过程的特点打算的；所谓循环过程 , 是指系统 即工

16、作物质 从初态动身 , 经受一系列的中间状态 , 最终回到原先状态的过程；一个循环过程在P-V 图上即为一条闭合的循环曲线 , 在循环过程中热机所做的净功就是指 P-V 图上循环曲线所围的面积 , 如图 2 中阴影部分面积所示；图 2 热机循环对于在 P-V 图上顺时针变化的循环 , 系统从较高温度的热源吸热 , 向较低温度的热源放热 , 在整个循环过程中 , 系统对外界做出净功 , 即为热机；而对于逆时针变化的循环, 系统从温度较低的热源吸热 , 向温度较高的热源放热 , 在整个循环过程中 , 外界对系统做净功 , 即为制冷机或热泵；综上可见 , 在 P-V 图上顺时针循环为热机 , 逆时针

17、循环为制冷机；欢迎下载精品学习资源热机效率仅与两个热源接触情形对于一个热机 , 由热力学其次定律知 : 不行能从单一热源吸热 , 不需对外放热 , 而使之全部变成有用功而不产生其他影响；由此可知, 热机不行能将从高温热源吸取的热量全部转化为功 , 即热机效率不能到达100%,这样 , 人们就必定会关怀燃料燃烧所产生的热中 , 或热机从高温热源吸取的热量中 , 有多少能量转化为有用功的问题 , 即热机的效率问题；设热机效率用 热 表示， Q1 、Q2 分别表示热机循环中高温所热源放出的热量及低温热源所吸取的热量 ,W外对 表示热机对外做的功 , 就有:W对外热1Q1对于整个循环中，系统回到原状态

18、，知U0欢迎下载精品学习资源由热力学第肯定律UQW2欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源得：W有用Q1Q23欢迎下载精品学习资源将3代入 1得：欢迎下载精品学习资源Q1Q2Q2热1Q1Q14欢迎下载精品学习资源总结本文回忆了热力学第肯定律建立的背景及过程，其中着重指出了三位科学家迈尔、焦耳、核姆霍兹在定律建立中所起的打算性的作用，而后，向读者具体阐述了热力学第肯定律的文字表述及数学表达式， 接着，就其在热机方面的应用给了简洁的分析，热力学第肯定律， 不仅仅是热学中的重要定律， 它同时广泛地应用于生活的各个领域，是一项宏大的定律；欢迎下载精品学习资源物理化学论文-热力学第肯定律班级：成型 091406班：王海朋学号：202114030218欢迎下载