熱力學(xué)第一定律.doc

熱力學(xué)第一定律Thefirstlawofthermodynamics專業(yè)：礦物加工工程班級(jí)：1401班姓名：張懷青學(xué)號(hào)：1415030110 目錄熱力學(xué)第一定律- 1 -摘要- 1 -關(guān)鍵詞- 1 -Thefirstlawofthermodynamics- 1 -Abstract:- 1 -Keywords：- 1 -引言：- 1 -1、熱力學(xué)第一定律的提出和確立- 2 -1.1熱力學(xué)第一定律的發(fā)展簡(jiǎn)史- 2 -1.2熱力學(xué)第一定律的幾位著名研究- 3 -2、熱力學(xué)第一定律的表述- 10 -2.1熱力學(xué)第一定律的文字表述- 10 -2.2熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式- 11 -2.3熱力學(xué)第一定律的闡釋- 11 -3、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用- 12 -3.1熱機(jī)- 12 -3.2熱力學(xué)第一定律的推導(dǎo)- 13 -3.3結(jié)合熱力學(xué)第二定律可得熱機(jī)循環(huán)- 14 -4、熱力學(xué)第一定律產(chǎn)生的偉大意義- 15 -總結(jié)- 16 -參考文獻(xiàn)- 17 -熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律摘要：熱力學(xué)第一定律是能量守恒原理的一種表達(dá)方式，也是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)所具有的特殊形式。熱力學(xué)第一定律是生物、物理、化學(xué)等學(xué)科的重要定律。本文主要回顧熱力學(xué)第一定律的提出與產(chǎn)生，包括其準(zhǔn)確的文字表達(dá)和精確地?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式，以及熱力學(xué)第一定律對(duì)人們生活和社會(huì)發(fā)展的影響。關(guān)鍵詞：熱力學(xué)第一定律；內(nèi)能定理；焦耳定律；熱機(jī)；熱機(jī)效率；能量守恒定律，熱機(jī)循環(huán)。ThefirstlawofthermodynamicsAbstract:The first law of thermodynamics is an expression of the principle of conservation of energy, and it is also a special form of the law of conservation of energy and the law of transformation in the field of thermal phenomena. The first law of thermodynamics is an important law of biology, physics, chemistry and other disciplines. In this paper, the first law of thermodynamics is reviewed, including its accurate expression and accurate mathematical expressions, and the influence of the first law of thermodynamics on peoples life and social development.Keywords：Thermodynamicsthefirstlaws;Internalenergytheorem;Thejoulelaws;Theengine;Heatefficiency；Law of conservation of energy;Engine cycle.引言：早在19世紀(jì)，熱力學(xué)發(fā)展初期，熱和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化是人們研究的主題。在工業(yè)革命的推動(dòng)下，工業(yè)上和運(yùn)輸上都相當(dāng)廣泛地使用蒸汽機(jī)。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機(jī)械能。甚至幻想制造一種機(jī)器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對(duì)外做功，為了解決這個(gè)問(wèn)題，促使人們都去研究熱和機(jī)械能之間的關(guān)系問(wèn)題。在邁爾（J.R.Mayer）提出了能量守恒定律，焦耳（J.P.Joule）的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表后，此定律得到了物理學(xué)界的確認(rèn)，對(duì)制造永動(dòng)機(jī)的幻想作了最后的判決：“不可能制造出第一類永動(dòng)機(jī)”。1、熱力學(xué)第一定律的提出和確立1.1熱力學(xué)第一定律的發(fā)展簡(jiǎn)史19世紀(jì)初，由于蒸汽機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，對(duì)蒸汽機(jī)“出力”作出理論上的分析。所以熱與機(jī)械功的相互轉(zhuǎn)化得到了廣泛的研究。埃瓦特（Peter Ewart，17671842）對(duì)煤的燃燒所產(chǎn)生的熱量和由此提供的“機(jī)械動(dòng)力”之間的關(guān)系作了研究，建立了定量聯(lián)系。丹麥工程師和物理學(xué)家柯?tīng)柖。↙.Colding，18151888）對(duì)熱、功之間的關(guān)系也作過(guò)研究。他從事過(guò)摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)，1843年丹麥皇家科學(xué)院對(duì)他的論文簽署了如下的批語(yǔ) “柯?tīng)柖〉倪@篇論文的主要思想是由于摩擦、阻力、壓力等造成的機(jī)械作用的損失，引起了物體內(nèi)部的如熱、電以及類似的動(dòng)作，它們皆與損失的力成正比。”俄國(guó)的赫斯（G.H.Hess，18021850）在更早就從化學(xué)的研究得到了能量轉(zhuǎn)化與守恒的思想。他原是瑞士人，3歲時(shí)到俄國(guó)，當(dāng)過(guò)醫(yī)生，在彼得堡執(zhí)教，他以熱化學(xué)研究著稱。1836年赫斯向彼得堡科學(xué)院報(bào)告：“經(jīng)過(guò)連續(xù)的研究，我確信，不管用什么方式完成化合，由此發(fā)出的熱總是恒定的，這個(gè)原理是如此之明顯，以至于如果我不認(rèn)為已經(jīng)被證明，也可以不加思索就認(rèn)為它是一條公理?！庇?840年3月27日在一次科學(xué)院演講中提出了一個(gè)普遍的表述：“當(dāng)組成任何一種化學(xué)化合物時(shí)，往往會(huì)同時(shí)放出熱量，這熱量不取決于化合是直接進(jìn)行還是經(jīng)過(guò)幾道反應(yīng)間接進(jìn)行?！币院笏堰@條定律廣泛應(yīng)用于他的熱化學(xué)研究中。赫斯的這一發(fā)現(xiàn)第一次反映了熱力學(xué)第一定律的基本原理；熱和功的總量與過(guò)程途徑無(wú)關(guān)，只決定于體系的始末狀態(tài)。體現(xiàn)了系統(tǒng)的內(nèi)能的基本性質(zhì)與過(guò)程無(wú)關(guān)。赫斯的定律不僅反映守恒的思想，也包括了“力”的轉(zhuǎn)變思想。至此，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律已初步形成。其實(shí)法國(guó)工程師薩迪卡諾（Sadi Carnot，17961832）早在1830年就已確立了功熱相當(dāng)?shù)乃枷?，他在筆記中寫(xiě)道：“熱不是別的什么東西，而是動(dòng)力，或者可以說(shuō)，它是改變了形式的運(yùn)動(dòng)，它是（物體中粒子的）一種運(yùn)動(dòng)（的形式）。當(dāng)物體的粒子的動(dòng)力消失時(shí)，必定同時(shí)有熱產(chǎn)生，其量與粒子消失的動(dòng)力精確地成正比。相反地，如果熱損失了，必定有動(dòng)力產(chǎn)生?！薄耙虼巳藗兛梢缘贸鲆粋€(gè)普遍命題：在自然界中存在的動(dòng)力，在量上是不變的。準(zhǔn)確地說(shuō)，它既不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì)消滅；實(shí)際上，它只改變了它的形式?！笨ㄖZ未作推導(dǎo)而基本上正確地給出了熱功當(dāng)量的數(shù)值：370千克米/千卡。由于卡諾過(guò)早地死去，他的弟弟雖看過(guò)他的遺稿，卻不理解這一原理的意義，直到1878年，才公開(kāi)發(fā)表了這部遺稿。這時(shí)，熱力學(xué)第一定律早已建立了。對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律作出明確敘述的，首先要提到三位科學(xué)家。他們是德國(guó)的邁爾（RobertMayer，18141878）、赫姆霍茲（Hermann von Helmholtz，18211894）和英國(guó)的焦耳。1.2熱力學(xué)第一定律的幾位著名研究1.21邁爾的實(shí)驗(yàn)邁爾是一位醫(yī)生。在一次駛往印度尼西亞的航行中 ，邁爾作為隨船醫(yī)生，在給生病的船員放血時(shí)，得到了重要啟示，發(fā)現(xiàn)靜脈血不像生活在溫帶國(guó)家中的人那樣顏色暗淡，而是像動(dòng)脈血那樣新鮮。當(dāng)?shù)蒯t(yī)生告訴他，這種現(xiàn)象在遼闊的熱帶地區(qū)是到處可見(jiàn)的。他還聽(tīng)到海員們說(shuō)，暴風(fēng)雨時(shí)海水比較熱。這些現(xiàn)象引起了邁爾的沉思。他想到，食物中含有化學(xué)能，它像機(jī)械能一樣可以轉(zhuǎn)化為熱。在熱帶高溫情況下，機(jī)體只需要吸收食物中較少的熱量，所以機(jī)體中食物的燃燒過(guò)程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。他已認(rèn)識(shí)到生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的。邁爾在1842年發(fā)表的題為熱的力學(xué)的幾點(diǎn)說(shuō)明中，宣布了熱和機(jī)械能的相當(dāng)性和可轉(zhuǎn)換性，他的推理如下 ：“力是原因：因此，我們可以全面運(yùn)用這樣一條原則來(lái)看待它們，即因等于果。設(shè)因c有果e，則c=e；反之，設(shè)e為另一果f之因，則有e=f等等，c=e=f=c在一串因果之中，某一項(xiàng)或某一項(xiàng)的某一部分絕不會(huì)化為烏有，這從方程式的性質(zhì)就可明顯看出。這是所有原因的第一個(gè)特性，我們稱之為不滅性?！苯又~爾用反證法，證明守恒性（不滅性）：“如果給定的原因c產(chǎn)生了等于其自身的結(jié)果e，則此行為必將停止；c變?yōu)閑；若在產(chǎn)生e后，c仍保留全部或一部分，則必有進(jìn)一步的結(jié)果，相當(dāng)于留下的原因c的全部結(jié)果將e，于是就將與前提c=e矛盾?！薄跋鄳?yīng)的，由于c變?yōu)閑，e變?yōu)閒等等，我們必須把這些不同的值看成是同一客體出現(xiàn)時(shí)所呈的不同形式。這種呈現(xiàn)不同形式的能力是所有原因的第二種基本特性。把這兩種特性放在一起我們可以說(shuō)，原因（在量上）是不滅的，而（在質(zhì)上）是可轉(zhuǎn)化的客體?！?邁爾的結(jié)論是：“因此力（即能量）是不滅的、可轉(zhuǎn)化的、不可秤量的客體。”邁爾這種推論方法顯然過(guò)于籠統(tǒng)，難以令人信服，但他關(guān)于能量轉(zhuǎn)化與守恒的敘述是最早的完整表達(dá)。邁爾在1845年發(fā)表了第二篇論文： 有機(jī)運(yùn)動(dòng)及其與新陳代謝的聯(lián)系，該文更系統(tǒng)地闡明能量的轉(zhuǎn)化與守恒的思想。他明確指出：“無(wú)不能生有，有不能變無(wú)”，“在死的和活的自然界中，這個(gè)力（按：即能量）永遠(yuǎn)處于循環(huán)轉(zhuǎn)化的過(guò)程之中。任何地方，沒(méi)有一個(gè)過(guò)程不是力的形式變化！”他主張：“熱是一種力，它可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)。”論文中還具體地論述了熱和功的聯(lián)系，推出了氣體定壓比熱和定容比熱之差CpCv等于定壓膨脹功R的關(guān)系式?，F(xiàn)在我們稱CpCv=R為邁爾公式。 接著邁爾又根據(jù)狄拉洛希（Delaroche）和貝拉爾德（Berard）以及杜?。―ulong）氣體比熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Cp=0.267卡/克度、 Cv=0.188卡/克度計(jì)算出熱功。 計(jì)算過(guò)程如下：在定壓下使1厘米3空氣加熱溫升1度所需的熱量為：Qp=mcpt=0.000347卡（取空氣密度=0.0013克/厘米3）。相應(yīng)地，在定容下加熱同量空氣溫升 1度消耗的熱Qv=0.000244卡。二者的熱量差QpQv=0.000103卡。另一方面，溫度升高1度等壓膨脹時(shí)體積增大為原體積的1/274倍；氣體對(duì)外作的功，可以使1.033千克的水銀柱升高1/274厘米。即功=1.0331/27400 =3.7810-5千克米。于是邁爾得出熱功當(dāng)量為J=A/（QpQv） =3.7810-5/1.0310-7=367千克米/千卡?；?597焦耳/千卡，21世紀(jì)初的精確值為4187焦耳/千卡。邁爾還具體地考察了另外幾種不同形式的力。他以起電機(jī)為例說(shuō)明了“機(jī)械效應(yīng)向電的轉(zhuǎn)化?！彼J(rèn)為：“下落的力”（即重力勢(shì)能）可以用“重量和（下落）高度的乘積來(lái)量度?！薄芭c下落的力轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄侣涞牧o(wú)關(guān)，這個(gè)力或機(jī)械效應(yīng)始終是不變的常量。” 邁爾第一個(gè)在科學(xué)史中將熱力學(xué)觀點(diǎn)用于研究有機(jī)世界中的現(xiàn)象，他考察了有機(jī)物的生命活動(dòng)過(guò)程中的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變，確信“生命力”理論是荒誕無(wú)稽的。他證明生命過(guò)程無(wú)所謂“生命力”，而是一種化學(xué)過(guò)程，是由于吸收了氧和食物，轉(zhuǎn)化為熱。這樣邁爾就將植物和動(dòng)物的生命活動(dòng)，從唯物主義的立場(chǎng)，看成是能的各種形式的轉(zhuǎn)變。1848年邁爾發(fā)表了天體力學(xué)一書(shū)，書(shū)中解釋隕石的發(fā)光是由于在大氣中損失了動(dòng)能。他還應(yīng)用能量守恒原理解釋了潮汐的漲落。邁爾雖然第一個(gè)完整地提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒原理，但是在他的著作發(fā)表的幾年內(nèi)，不僅沒(méi)有得到人們的重視，反而受到了一些著名物理學(xué)家的反對(duì)。由于他的思想不合當(dāng)時(shí)流行的觀念，還受到人們的誹謗和譏笑，使他在精神上受到很大刺激，曾一度關(guān)進(jìn)精神病院，倍受折磨。1.22赫姆霍茲的研究從多方面論證能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的是德國(guó)的海曼赫姆霍茲。他曾在著名的生理學(xué)家繆勒（Johannes Mller）的實(shí)驗(yàn)室里工作過(guò)多年，研究過(guò)“動(dòng)物熱?！彼钚潘械纳F(xiàn)象都必得服從物理與化學(xué)規(guī)律。他早年在數(shù)學(xué)上有過(guò)良好的訓(xùn)練，同時(shí)又很熟悉力學(xué)的成就，讀過(guò)牛頓、達(dá)朗貝爾、拉格朗日等人的著作，對(duì)拉格朗日的分析力學(xué)有深刻印象。他的父親是一位哲學(xué)教授，和著名哲學(xué)家費(fèi)赫特（Fichte）是好朋友。海曼赫姆霍茲接受了前輩的影響，成了康德哲學(xué)的信徒，把自然界大統(tǒng)一當(dāng)作自己的信條。他認(rèn)為如果自然界的“力”（即能量）是守恒的，則所有的 “力” 都應(yīng)和機(jī)械 “力” 具有相同的量綱， 并可還原為機(jī)械 “力”。1847年，26歲的赫姆霍茲寫(xiě)成了著名論文力的守恒，充分論述了這一命題 。這篇論文是1847年7月23日在柏林物理學(xué)會(huì)會(huì)議上的報(bào)告，由于被認(rèn)為是思辨性、缺乏實(shí)驗(yàn)研究成果的一般論文，沒(méi)有在當(dāng)時(shí)有國(guó)際聲望的物理學(xué)年鑒上發(fā)表，而是以小冊(cè)子的形式單獨(dú)印行的。但是歷史證明，這篇論文在熱力學(xué)的發(fā)展中占有重要地位，因?yàn)楹漳坊羝澘偨Y(jié)了許多人的工作，一舉把能量概念從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到了所有變化過(guò)程，并證明了普遍的能量守恒原理。這是一個(gè)十分有力的理論武器，從而可以更深入地理解自然界的統(tǒng)一性。赫姆霍茲在這篇論文一開(kāi)頭就聲稱，他的“論文的主要內(nèi)容是面對(duì)物理學(xué)家，”他的目的是“建立基本原理，并由基本原理出發(fā)引出各種推論，再與物理學(xué)不同分支的各種經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較?！?在他的論述中有一明顯的趨向，就是企圖把一切自然過(guò)程都?xì)w結(jié)于中心力的作用。我們都知道，在只有中心力的作用下，能量守恒是正確的，但是這只是能量守恒原理的一個(gè)特例，把中心力看成是普遍能量守恒的條件就不正確了。他的論文共分六節(jié)，前兩節(jié)主要是回顧力學(xué)的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)了活力守恒（即動(dòng)能守恒），進(jìn)而分析了“力”的守恒原理（即機(jī)械能守恒原理）；第三節(jié)涉及守恒原理的各種應(yīng)用；第四節(jié)題為“熱的力當(dāng)量性，”他明確地摒棄了熱質(zhì)說(shuō)，把熱看成粒子（分子或原子）運(yùn)動(dòng)能量的一種形式。第五節(jié)“電過(guò)程的力相當(dāng)性”和第六節(jié)“磁和電磁現(xiàn)象的力相當(dāng)性”討論各種電磁現(xiàn)象和電化學(xué)過(guò)程，特別是電池中的熱現(xiàn)象對(duì)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究。文章最后提到能量概念也有可能應(yīng)用于有機(jī)體的生命過(guò)程，他的論點(diǎn)和邁爾接近。不過(guò)，看來(lái)他當(dāng)時(shí)并不知道邁爾的工作。 赫姆霍茲在結(jié)束語(yǔ)中寫(xiě)道：“通過(guò)上面的敘述已經(jīng)證明了我們所討論的定律沒(méi)有和任何一個(gè)迄今所知的自然科學(xué)事實(shí)相矛盾，反而卻引人注目地為大多數(shù)事實(shí)所證實(shí)。這定律的完全驗(yàn)證，也許必須看成是物理學(xué)最近將來(lái)的主要課題之一?！?實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一定律的工作早在赫姆霍茲論文之前就已經(jīng)開(kāi)始了。焦耳在這方面做出了巨大貢獻(xiàn)。1.23焦耳的實(shí)驗(yàn)研究焦耳是英國(guó)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。1818年他出生于英國(guó)曼徹斯特市近郊，是富有的釀酒廠主的兒子。他從小在家由家庭教師教授， 16歲起與其兄弟一起到著名化學(xué)家道爾頓（John Dalton，17661844）那里學(xué)習(xí)，這在焦耳的一生中起了關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，使他對(duì)科學(xué)發(fā)生了濃厚的興趣，后來(lái)他就在家里做起了各種實(shí)驗(yàn)，成為一名業(yè)余科學(xué)家。這時(shí)正值電磁力和電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不久，電機(jī)當(dāng)時(shí)叫磁電機(jī)（electricmagnetic engine）剛剛出現(xiàn)， 人們還不大了解電磁現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，也缺乏對(duì)電路的深刻認(rèn)識(shí)，只是感到磁電機(jī)非常新奇，有可能代替蒸汽機(jī)成為效率更高、管理方便的新動(dòng)力，于是一股電氣熱潮席卷了歐洲，甚至波及美國(guó)。焦耳當(dāng)時(shí)剛20歲，正處于敏感的年齡，家中又有很好的實(shí)驗(yàn)條件（估計(jì)他父親廠里有蒸汽機(jī)），對(duì)革新動(dòng)力設(shè)備很感興趣，就投入到電氣熱潮之中，開(kāi)始研究起磁電機(jī)來(lái)。從1838年到1842年的幾年中，焦耳一共寫(xiě)了八篇有關(guān)電機(jī)的通訊和論文，以及一篇關(guān)于電池、三篇關(guān)于電磁鐵的論文。他通過(guò)磁電機(jī)的各種試驗(yàn)注意到電機(jī)和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，他認(rèn)為這和機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)中的摩擦現(xiàn)象一樣，都是動(dòng)力損失的根源。于是他就開(kāi)始進(jìn)行電流的熱效應(yīng)的研究。1841年他在哲學(xué)雜志上發(fā)表文章電的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱和電解時(shí)電池組中的熱，敘述了他的實(shí)驗(yàn)：為了確定金屬導(dǎo)線的熱功率，讓導(dǎo)線穿過(guò)一根玻璃管，再將它密纏在管上，每圈之間留有空隙，線圈終端分開(kāi)。然后將玻璃管放入盛水的容器中，通電后用溫度計(jì)測(cè)量水產(chǎn)生的溫度變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，他先用不同尺寸的導(dǎo)線，繼而又改變電流的強(qiáng)度，結(jié)果判定“在一定時(shí)間內(nèi)伏打電流通過(guò)金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱與電流強(qiáng)度的平方及導(dǎo)體電阻的乘積成正比。”這就是著名的焦耳定律，又稱iR定律。隨后，他又以電解質(zhì)做了大量實(shí)驗(yàn)，證明上述結(jié)論依然正確。iR定律的發(fā)現(xiàn)使焦耳對(duì)電路中電流的作用有了明確的認(rèn)識(shí)。 他仿照動(dòng)物體中血液的循環(huán)，把電池比作心肺，把電流比作血液，指出：“電可以看成是攜帶、安排和轉(zhuǎn)變化學(xué)熱的一種重要媒介”，并且認(rèn)為，在電池中“燃燒”一定量的化學(xué)“燃料”，在電路中（包括電池本身）就會(huì)發(fā)出相應(yīng)大小的熱，和這些燃料在氧氣中點(diǎn)火直接燃燒所得應(yīng)是一樣多。請(qǐng)注意，這時(shí)焦耳已經(jīng)用上了“轉(zhuǎn)變化學(xué)熱”一詞，說(shuō)明他已建立了能量轉(zhuǎn)化的普遍概念，他對(duì)熱、化學(xué)作用和電的等價(jià)性已有了明確的認(rèn)識(shí)。 然而，這種等價(jià)性的最有力證據(jù)，莫過(guò)于熱功當(dāng)量的直接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。正是由于探索磁電機(jī)中熱的損耗，促使焦耳進(jìn)行了大量的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)。1843年焦耳在磁電的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值一文中敘述了他的目的，寫(xiě)道：“我相信理所當(dāng)然的是：磁電機(jī)的電力與其它來(lái)源產(chǎn)生的電流一樣，在整個(gè)電路中具有同樣的熱性質(zhì)。當(dāng)然，如果我們認(rèn)為熱不是物質(zhì)，而是一種振動(dòng)狀態(tài)，就似乎沒(méi)有理由認(rèn)為它不能由一種簡(jiǎn)單的機(jī)械性質(zhì)的作用所引起，例如象線圈在永久磁鐵的兩極間旋轉(zhuǎn)的那種作用。與此同時(shí)，也必須承認(rèn)，迄今尚未有實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)這個(gè)非常有趣的問(wèn)題作出判決，因?yàn)樗羞@些實(shí)驗(yàn)都只限于電路的局部，這就留下了疑問(wèn)，究竟熱是生成的，還是從感應(yīng)出磁電流的線圈里轉(zhuǎn)移出來(lái)的？如果熱是線圈里轉(zhuǎn)移出來(lái)的，線圈本身就要變冷。所以，我決定致力于清除磁電熱的不確定性?！苯苟汛烹姍C(jī)放在作為量熱器的水桶里，旋轉(zhuǎn)磁電機(jī)，并將線圈的電流引到電流計(jì)中進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量水桶的水溫變化。實(shí)驗(yàn)表明，磁電機(jī)線圈產(chǎn)生的熱也與電流的平方成正比。焦耳又把磁電機(jī)作為負(fù)載接入電路，電路中另接一電池，以觀察磁電機(jī)內(nèi)部熱的生成，這時(shí)，磁電機(jī)仍放在作為量熱器的水桶里，焦耳繼續(xù)寫(xiě)道：“我將輪子轉(zhuǎn)向一方，就可使磁電機(jī)與電流反向而接，轉(zhuǎn)向另一方，可以借磁電機(jī)增大電流。前一情況，儀器具有磁電機(jī)的所有特性，后一情況適得其反，它消耗了機(jī)械力?！?比較磁電機(jī)正反接入電路的實(shí)驗(yàn)，焦耳得出結(jié)論：“我們從磁電得到了一種媒介，用它可以憑借簡(jiǎn)單的機(jī)械方法，破壞熱或產(chǎn)生熱?！敝链耍苟呀?jīng)從磁電機(jī)這個(gè)具體問(wèn)題的研究中領(lǐng)悟到了一個(gè)具有普遍意義的規(guī)律，這就是熱和機(jī)械功可以互相轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中一定有當(dāng)量關(guān)系。他寫(xiě)道 ：“在證明了熱可以用磁電機(jī)生成，用磁的感應(yīng)力可以隨意增減由于化學(xué)變化產(chǎn)生的熱之后，探求熱和得到的或失去的機(jī)械功之間是否存在一個(gè)恒定的比值，就成了十分有趣的課題。為此目的，只需要重復(fù)以前的一些實(shí)驗(yàn)并同時(shí)確定轉(zhuǎn)動(dòng)儀器所需的機(jī)械力?！?焦耳在磁電機(jī)線圈的轉(zhuǎn)軸上繞兩條細(xì)線，相距約27.4米處置兩個(gè)定滑輪，跨過(guò)滑輪掛有砝碼，砝碼約幾磅重（1磅=0.45359千克），可隨意調(diào)整。線圈浸在量熱器的水中，從溫度計(jì)的讀數(shù)變化可算出熱量，從砝碼的重量及下落的距離可算出機(jī)械功。在 1843年的論文中，焦耳根據(jù)13組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值得如下結(jié)果：“能使1磅的水溫度升溫華氏一度的熱量等于（可轉(zhuǎn)化為）把838磅重物提升1英尺的機(jī)械功?！?38磅英尺相當(dāng)于1135焦耳，這里得到的熱功當(dāng)量838磅英尺/英熱單位等于4.511焦耳/卡（現(xiàn)代公認(rèn)值為4.187焦耳/卡）。 焦耳并沒(méi)有忘記測(cè)定熱功當(dāng)量的實(shí)際意義，就在這篇論文中他指出，最重要的實(shí)際意義有兩點(diǎn)：（1）可用于研究蒸汽機(jī)的出力；（2）可用于研究磁電機(jī)作為經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力的可行性?？梢?jiàn)，焦耳研究這個(gè)問(wèn)題始終沒(méi)有離開(kāi)他原先的目標(biāo)。焦耳還用多孔塞置于水的通道中，測(cè)量水通過(guò)多孔塞后的溫升，得到熱功當(dāng)量為770磅英尺/英熱單位（4.145焦耳/卡）。這是焦耳得到的與現(xiàn)代熱功當(dāng)量值最接近的數(shù)值。1845年，焦耳報(bào)道他在量熱器中安裝一帶槳葉的轉(zhuǎn)輪，經(jīng)滑輪吊兩重物下滑，槳輪旋轉(zhuǎn)，不斷攪動(dòng)水使水升溫，測(cè)得熱功當(dāng)量為890磅英尺/英熱單位，相當(dāng)于4.782焦耳/卡。 同年，焦耳寫(xiě)了論文空氣的稀釋和濃縮所引起的溫度變化，記述了如下實(shí)驗(yàn)：把一個(gè)帶有容器R的壓氣機(jī)C放在作為量熱器的水桶A中，如圖22。壓氣機(jī)把經(jīng)過(guò)干燥器G和蛇形管W的空氣壓縮到容器R中，然后測(cè)量空氣在壓縮后的溫升，從溫升可算出熱量。氣壓從一個(gè)大氣壓變?yōu)?2個(gè)大氣壓，壓縮過(guò)程視為絕熱過(guò)程，可計(jì)算壓氣機(jī)作的功。由此得到熱功當(dāng)量為823及795磅英尺/英熱單位。然后，經(jīng)蛇形管釋放壓縮空氣，量熱器溫度下降，又可算出熱功當(dāng)量為820、 814、760磅 英尺/英熱單位， 從空氣的壓縮和膨脹得到的平均值為798磅英尺/英熱單位，相當(dāng)于4.312焦耳/卡。 1849年6月，焦耳作了一個(gè)熱功當(dāng)量的總結(jié)報(bào)告，全面整理了他幾年來(lái)用槳葉攪拌法和鑄鐵摩擦法測(cè)熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)，給出如下結(jié)果（單位均以磅英尺/英熱單位表示）：空氣中的當(dāng)量值真空中的當(dāng)量值平均水773.64772.692772.692汞773.762772.814774.083汞776.303775.352774.083鑄鐵776.997776.045774.987鑄鐵774.888773.93774.987焦耳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理得相當(dāng)嚴(yán)密，在計(jì)算中甚至考慮到將重量還原為真空中的值。對(duì)上述結(jié)果，焦耳作了分析，認(rèn)為鑄鐵摩擦?xí)r會(huì)有微粒磨損，要消耗一定的功以克服其內(nèi)聚力，因此所得結(jié)果可能偏大。汞和鑄鐵在實(shí)驗(yàn)中不可避免會(huì)有振動(dòng)，產(chǎn)生微弱的聲音，也會(huì)使結(jié)果偏大。在這三種材料中，以水的比熱最大，所以比較起來(lái)，應(yīng)該是用水作實(shí)驗(yàn)最準(zhǔn)確。 因此， 在他的論文結(jié)束時(shí)，取772作為最后結(jié)果， 這相當(dāng)于4.154焦耳/卡。對(duì)此，他概括出兩點(diǎn)：“第一，由物體，不論是固體或液體，摩擦產(chǎn)生的熱量總是正比于消耗的力之量；第二，使一磅水（在真空中稱量，用于5560）的溫度升高1，所需消耗的機(jī)械力相當(dāng)于772磅下落1英尺。”焦耳從1843年以磁電機(jī)為對(duì)象開(kāi)始測(cè)量熱功當(dāng)量，直到1878年最后一次發(fā)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果，先后做實(shí)驗(yàn)不下四百余次，采用了原理不同的各種方法，他以日益精確的數(shù)據(jù)，為熱和功的相當(dāng)性提供了可靠的證據(jù)，使能量轉(zhuǎn)化與守恒定律確立在牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。2、熱力學(xué)第一定律的表述2.1熱力學(xué)第一定律的文字表述表述形式：熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的總值保持不變。普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程中都有具體表現(xiàn)。在工程熱力學(xué)范圍內(nèi)，熱力學(xué)第一定律可表述為：熱能和機(jī)械能在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換時(shí)，能量的總量必定守恒?；緝?nèi)容：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時(shí)，也必產(chǎn)生一定的功。2.2熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式在熱力學(xué)中，系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)與環(huán)境之間交換的熱為Q（吸熱為正，放熱為負(fù)），與環(huán)境交換的功為W（對(duì)外做功為負(fù)，外界對(duì)物體做功為正），可得熱力學(xué)能（亦稱內(nèi)能）的變化為U=Q+W物理中普遍使用第一種，而化學(xué)中通常是說(shuō)系統(tǒng)對(duì)外做功，故會(huì)用后一種。普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程中的具體表現(xiàn)。熱力學(xué)的基本定律之一。熱力學(xué)第一定律是對(duì)能量守恒和轉(zhuǎn)換定律的一種表述方式。2.3熱力學(xué)第一定律的闡釋表征熱力學(xué)系統(tǒng)能量的是內(nèi)能。通過(guò)作功和傳熱，系統(tǒng)與外界交換能量，使內(nèi)能有所變化。根據(jù)普遍的能量守恒定律，系統(tǒng)由初態(tài)經(jīng)過(guò)任意過(guò)程到達(dá)終態(tài)后，內(nèi)能的增量U應(yīng)等于在此過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量Q 和系統(tǒng)對(duì)外界作功A之差，即U2-U1=U=Q-W或Q=U+W 這就是熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式。如果除作功、傳熱外，還有因物質(zhì)從外界進(jìn)入系統(tǒng)而帶入的能量Z，則應(yīng)為U=Q-W+Z。當(dāng)然，上述 U 、W、Q、Z均可正可負(fù)（使系統(tǒng)能量增加為正、減少為負(fù)）。對(duì)于無(wú)限小過(guò)程，熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式為Q=dU+W。因U是狀態(tài)函數(shù)，dU是全微分；Q、W是過(guò)程量，Q和W只表示微小量并非全微分，用符號(hào)以示區(qū)別。又因U或dU只涉及初、終態(tài)，只要求系統(tǒng)初、終態(tài)是平衡態(tài)，與中間狀態(tài)是否平衡態(tài)無(wú)關(guān)。 對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，有Q=dU+pdV。熱力學(xué)第一定律的另一種表述是：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。這是許多人幻想制造的能不斷地做功而無(wú)需任何燃料和動(dòng)力的機(jī)器，是能夠無(wú)中生有、源源不斷提供能量的機(jī)器。顯然，第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律。3、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用3.1熱機(jī)熱機(jī)在人類生活中發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)代化的交通運(yùn)輸工具都靠它提供動(dòng)力。熱機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)的快速發(fā)展，也不可避免地?fù)p失部分能量，并對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染。3.11工作原理熱機(jī)簡(jiǎn)化原理圖熱機(jī)是利用內(nèi)能來(lái)做功的機(jī)器，熱機(jī)的工作原理：由內(nèi)能通過(guò)做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。3.12熱機(jī)效率1、凡是能夠利用燃料燃燒時(shí)放出的能來(lái)做機(jī)械功的機(jī)器就叫做熱機(jī)。2、熱機(jī)在工作過(guò)程中，發(fā)熱器(高溫?zé)嵩?里的燃料燃燒時(shí)放出的熱量并沒(méi)有全部被工作物質(zhì)(工質(zhì))所吸收，而工質(zhì)從發(fā)熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器(低溫?zé)嵩?。工質(zhì)所作的機(jī)械功中還有一部分因克服機(jī)件摩擦而損失。3.13燃燒效率是指工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量和燃料燃燒時(shí)放出熱量的比，如果用C表示，燃料燃燒效率可寫(xiě)成C=Q1/Q。3.14熱效率是指熱機(jī)工作部分中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量和工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量的比。如果用表示，則有=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q2/ Q1。從式中很明顯地看出Q1越大，Q2越小，熱效率越高，這是熱機(jī)效率中的主要部分，它表明了熱機(jī)中熱量的利用程度。3.15機(jī)械效率是指推動(dòng)機(jī)軸做功所需的熱量和熱機(jī)工作過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量的比，如果用m表示，則有m=Q3/(Q1-Q2)等，即=Q有用/Q總。熱機(jī)效率=cmt/mq3.2熱力學(xué)第一定律的推導(dǎo)熱力過(guò)程的變化，由能量守恒的推導(dǎo)，可得：dU = dQ - dW。dU為系統(tǒng)內(nèi)能變化，dQ為加入系統(tǒng)的熱能，dW為系統(tǒng)對(duì)外界所做的功。1.內(nèi)能函數(shù)U為狀態(tài)函數(shù)，故熱力系統(tǒng)經(jīng)一循環(huán)過(guò)程，末狀態(tài)等于初狀態(tài)，其內(nèi)能相同，故dU = 0。2.dQ為熱力過(guò)程加入系統(tǒng)的熱能，其值和變化的過(guò)程有關(guān)：絕熱過(guò)程：dQ = 0。等壓過(guò)程：dQ = nCpdT。定容過(guò)程：dQ = nCvdT。其中Cp、Cv分別為氣體的定壓比熱及定容比熱。若系統(tǒng)吸熱，dQ為正值；若排熱，dQ為負(fù)值。3.dW為熱力系統(tǒng)在熱力過(guò)程中對(duì)外界所做的功，其形式為：dW = PdV，dW為微量變化的功，在這一完整過(guò)程種