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[!--downpath--]热力学第一定理的内容及应用井冈山学院数理大学化学要：热力学第一定理亦称能量转换与守恒定理，广泛地应用于各个学科领域。本文回顾了其完善的背景及经过，它的确切的文字叙述和物理表达式，及它在理想二氧化碳、热机的应用。关键字：热力学第一定理；内能定律；焦耳定理；热机；热机效率序言19世纪初期，不少人痴迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，由于这些构想中的机械只须要一个初始的力量就可使其运转上去，然后不再须要任何动力和燃料，却能手动不断地做功。在热力学第一定理提出之前，人们仍然围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。直到热力学第一定理发觉后，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理的构建过程、具体叙述、及生活中的应用——热机，进行简单展开。1．热力学第一定理的形成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,火的发明和借助是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。中国唐代就对火爆的本性进行了阐述,西周时期产生的“五行说”——金、木、水、火、土,就把火爆看成是构成宇宙万物的五种元素之一。清朝时刘昼更明晰强调“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火。
”古埃及米利都学派的那拉克西曼德（,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产生的世界四大主要元素。恩培多克勒（,约公元前500—430）更明晰提出四元素学说,觉得万物都是水、火、土、气四元素在不同数目上不环比例的配合,与我国的五行说非常相像。并且人类对热的本质的认识却是很晚的事情。18世纪中期,爱尔兰科学家布莱克等人提出了热质说。这些理论觉得,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,并用以较完满地解释了例如由热传导因而引起热平衡、相变热容和量力学等热现象,因此这些学说为当时一些知名科学家所接受,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逐渐地为更多的人们所注意。非常是美国物理家和化学学家克鲁克斯（M.，1832—1919）,所做的风车轴套旋转实验,证明了热的本质就是分子无规则动的推论。热动说较好地解释了热质说难以解释的现象,如磨擦生热等。使人们对热的本质的认识大大地进了一步。戴维以冰块磨擦生热凝固为例而写成的名为《论热、光及光的复合》的论文,为热功相当提供了有相当劝说力的实例,激励着更多的人去阐述这一问题。
1.2热力学第一定理的构建过程在18世纪末19世纪初，随着蒸气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。日本大夫、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间互相转化的观点，这是热力学第一定理的第一次提出。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理，补充了迈尔的论证。日本化学学家、医生迈尔：日本化学学家、医生迈尔（，1814～1878）1840月作为船医远航到菲律宾尼西亚。他从海员静脉血的颜色的不同，发觉体力和体热来始于食物中所含的物理能，提出倘若植物体能的输入同开支是平衡的，所有那些方式的能在量上就必将守恒。他由此遭到启发，去探求热和机械功的关系。他将自己的发觉写成《论力的量和质的测定》一文，但他的观点缺乏精确的实验论证，论文没能发表（直至1881年他去世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，但是发愤进一步学习语文和数学学。1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，叙述了化学、化学过程中各类力（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理并估算出热功当量的人。
但1842年发表的这篇科学杰作当时未遭到注重。1843月21日焦耳在美国科学商会数理组大会上宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》论文，指出了自然界的能是等量转换、不会剿灭的，那里消耗了机械能或电磁能，总在个别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。他先后用不同的方式做了400多次实验，得出推论：热功当量是一个普适常量，与做功形式无关。他自己1878年与1849年的测验结果相同。后来公认值是427千克重米每卡路里。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理提供了无可置疑的证据。1847年，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，第一次系统地论述了能量守恒原理，从理论上把热学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，阐明其运动方式之间的统一性，它们除了可以互相转化，但是在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使化学学达到空前的综合与统一。将能量守恒定理应用到热力学上，就是热力学第一定理2.热力学第一定理的叙述2.1热力学第一定理的文字叙述自然界一切物体都具有能量，能量有各类不同方式，它能从一种方式转化为另一种方式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数目保持不变。
该定理就称为热力学第一定理，俗称为能量转换与守恒定理，这一定理也被表示为：第一类永动机（不消耗任何方式的能量而能对外做功的机械）是不能制做出来的2.2物理表达式2.2.1内能定律将能量守恒与转换定理应用于热效应就是热力学第一定理，并且能量守恒与转化定理仅是一种思想，它的发展应利用于物理。马克思讲过，一门科学只有达到了能成功地运用物理时，才算真正发展了。另外，物理还可给人以公理化方式，即选用少数概念和不证自明的命题作为公理，借此为出发点焦耳定律的实验装置，层层推测，建成一个严密的体系。热力学也理应这样的发展上去。所以下一步应当构建热力学第一定理的物理表达式。第一定理描述功与热量之间的互相转化，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上去，由此说明功和热量转换的结果其总能量还是守恒的。在热学中，外力对系统做功，导致系统整体运动状态的改变，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。而在力学中，煤质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部。
内能是系统内部所有微观粒子（比如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的互相作用势能二者之和。内能是状态函数，处于平衡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。内能定律从能量守恒原理知：系统放热，内能应降低；外界对系统做功，内能也降低。若系统既放热，外界又对系统做功，则内能降低应等于这二者之和。为了证明内能是态函数，也为了能对内能作出定量的定义，先考虑一种较为简单的情况——绝热过程，即系统既不放热也不吸热的过程。焦耳做了各类绝热过程的实验，其结果是：一切绝热过程中使水下降相同的气温所须要做的功都是相等的。这一实验事实说明焦耳定律的实验装置，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，这个恒量就被定义为内能的改变量，即绝热（内能定律）由于绝热2.2.2热力学第一定理的物理表达式若将绝热（热力学第一定理通常表达式）这就是热力学第一定理的物理表达式。上面已提到，功和热量都与所经历的过程有关，它们不是态函数，但两者之和却成了仅与初末状态有关、而与过程无关的内能改变量了3.热力学第一定理的应用3.1.1焦耳实验理想二氧化碳的内能仅是气温的函数,这一规律称为焦耳定理，是一个很重要的定理,它是理想二氧化碳宏观定义的两个条件之一。
从微观角度很容易理解,由于理想二氧化碳忽视分子间的斥力,不考虑分子问的互相作用势能。在宏观理论中,通常是通过介绍焦耳实验得到焦耳定理的。取1摩尔二氧化碳,由热力学关系式,分别为气休的摩尔内能、摩尔容积和定容摩尔潜热量,T为气休的热力学气温,为了测定二氧化碳的内能对容积的依赖关系,焦耳曾于1845年做了如图所示的二氧化碳自由膨胀实验,容器A中饱含被压缩的二氧化碳,容器B为真空,A、B相联处用一活门C隔开,整个装置装入量热器的水底。当活门C打开后,二氧化碳将自由膨胀饱含整个容器。这就是知名的焦耳实验。焦耳检测了二氧化碳膨胀前后水的平衡气温,发觉水的平衡气温没有改变。这一结果说明两点,第一,二氧化碳在膨胀过程中与水没有热量交换,因此二氧化碳进行的是绝热自由膨胀过程；第二,膨胀前后二氧化碳的气温没有改变。由第一点,依据热力学第一定理可知。二氧化碳的绝热自由膨胀是一个等内能过程,由第二点再根3.1.2微孔塞实验与焦耳—汤姆孙效应焦耳曾用绝热自由膨胀实验来研究二氧化碳的内能与二氧化碳的容积或浮力的关系，结果因为水与水槽潜热量太大，而二氧化碳自由膨胀前后的气温变化又可能很小，因而实验未能对实际二氧化碳得出准确推论。
为进一步研究二氧化碳膨胀后气温的变化，进而提供实际二氧化碳的内能除了与气温并且也与容积或浮力有关的证据，1852年，焦耳与汤姆孙一起设计了一个新实验——多孔塞实验，并由此实验发觉了又能很大使用价值的焦耳-汤姆孙效应，简称焦-汤效应。焦-汤实验有一个用不导热材料弄成的管子，管子中间有一多孔塞（如被褥一类东西）或节流阀，微孔塞两侧各有一个可无磨擦活动的活塞A开始在活塞A和微孔塞之间充有浮力为1p容积为1V气温为1T的二氧化碳，而活塞B贴微孔塞。实验时以外浮力1p推进活塞往右平缓联通使二氧化碳经过微孔塞流向浮力较小的微孔塞右侧区域，并给活塞B以向左的较低外浮力2p也平缓往右联通，以维持流过微孔塞的二氧化碳浮力为较低的2p。因为微孔塞对二氧化碳的较大阻滞作用，从而才能在微孔塞两侧维持一定浮力差，使二氧化碳从原先的浮力1p绝热地经微孔塞后降为浮力2p。二氧化碳从室温为1T、体积为1V、压强为1p的高压状态平缓绝热地经过多孔塞后，使二氧化碳浮力降为2p、体积膨胀为2V的过程，称为绝热节流过程。由于这节流过程是在对外绝热的管内进行的，所以这节流过程也是绝热的。3.2热机及其效率18世纪第一台蒸气机问世后,经过许多人的改进,非常是纽科门和瓦特的工作,使蒸气机成为普遍适用于工业的万能原动机,但其效率却仍然很低,只有3%5%左右,95%以上的热量都未被借助。
其他热机的效率也普遍不高,例如:液体燃料湖人效率48%,汽油机效率37%,柴油机效率25%等等。人们仍然在为提升热机的效率而努力,在摸索中对蒸气机等热机的结构不断进行各类尝试和改进,尽量降低漏水、散热和磨擦等诱因的影响,但热机效率的提升仍然很微弱。这就不由得让人们形成疑惑:提升热机效率的关键是哪些?热机效率的提升有没有一个限度?1824年美国青年工程师卡诺剖析了各类热机的设计方案和基本结构,按照热机的基本工作过程,研究了一种理想热机的效率,这些热机确定了我们能将吸收的热量最大限度地拿来对外做有用功(此即知名的卡诺定律),且该热机效率与工作物质无关,仅与热源气温有关,