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熱力學第一定律Thefirstlawofthermodynamics專業(yè)：礦物加工工程班級：1401班姓名：張懷青學號：1415030110 目錄熱力學第一定律- 1 -摘要- 1 -關(guān)鍵詞- 1 -Thefirstlawofthermodynamics- 1 -Abstract:- 1 -Keywords：- 1 -引言：- 1 -1、熱力學第一定律的提出和確立- 2 -1.1熱力學第一定律的發(fā)展簡史- 2 -1.2熱力學第一定律的幾位著名研究- 3 -2、熱力學第一定律的表述- 10 -2.1熱力學第一定律的文字表述- 10 -2.2熱力學第一定律的數(shù)學表達式- 11 -2.3熱力學第一定律的闡釋- 11 -3、熱力學第一定律的應用- 12 -3.1熱機- 12 -3.2熱力學第一定律的推導- 13 -3.3結(jié)合熱力學第二定律可得熱機循環(huán)- 14 -4、熱力學第一定律產(chǎn)生的偉大意義- 15 -總結(jié)- 16 -參考文獻- 17 -熱力學第一定律熱力學第一定律摘要：熱力學第一定律是能量守恒原理的一種表達方式，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。熱力學第一定律是生物、物理、化學等學科的重要定律。本文主要回顧熱力學第一定律的提出與產(chǎn)生，包括其準確的文字表達和精確地數(shù)學表達式，以及熱力學第一定律對人們生活和社會發(fā)展的影響。關(guān)鍵詞：熱力學第一定律；內(nèi)能定理；焦耳定律；熱機；熱機效率；能量守恒定律，熱機循環(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，熱力學發(fā)展初期，熱和機械能的相互轉(zhuǎn)化是人們研究的主題。在工業(yè)革命的推動下，工業(yè)上和運輸上都相當廣泛地使用蒸汽機。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機械能。甚至幻想制造一種機器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對外做功，為了解決這個問題，促使人們都去研究熱和機械能之間的關(guān)系問題。在邁爾（J.R.Mayer）提出了能量守恒定律，焦耳（J.P.Joule）的實驗工作發(fā)表后，此定律得到了物理學界的確認，對制造永動機的幻想作了最后的判決：“不可能制造出第一類永動機”。1、熱力學第一定律的提出和確立1.1熱力學第一定律的發(fā)展簡史19世紀初，由于蒸汽機的進一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，對蒸汽機“出力”作出理論上的分析。所以熱與機械功的相互轉(zhuǎn)化得到了廣泛的研究。埃瓦特（Peter Ewart，17671842）對煤的燃燒所產(chǎn)生的熱量和由此提供的“機械動力”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家柯爾?。↙.Colding，18151888）對熱、功之間的關(guān)系也作過研究。他從事過摩擦生熱的實驗，1843年丹麥皇家科學院對他的論文簽署了如下的批語 “柯爾丁的這篇論文的主要思想是由于摩擦、阻力、壓力等造成的機械作用的損失，引起了物體內(nèi)部的如熱、電以及類似的動作，它們皆與損失的力成正比。”俄國的赫斯（G.H.Hess，18021850）在更早就從化學的研究得到了能量轉(zhuǎn)化與守恒的思想。他原是瑞士人，3歲時到俄國，當過醫(yī)生，在彼得堡執(zhí)教，他以熱化學研究著稱。1836年赫斯向彼得堡科學院報告：“經(jīng)過連續(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，這個原理是如此之明顯，以至于如果我不認為已經(jīng)被證明，也可以不加思索就認為它是一條公理?！庇?840年3月27日在一次科學院演講中提出了一個普遍的表述：“當組成任何一種化學化合物時，往往會同時放出熱量，這熱量不取決于化合是直接進行還是經(jīng)過幾道反應間接進行?！币院笏堰@條定律廣泛應用于他的熱化學研究中。赫斯的這一發(fā)現(xiàn)第一次反映了熱力學第一定律的基本原理；熱和功的總量與過程途徑無關(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)與過程無關(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。其實法國工程師薩迪卡諾（Sadi Carnot，17961832）早在1830年就已確立了功熱相當?shù)乃枷?，他在筆記中寫道：“熱不是別的什么東西，而是動力，或者可以說，它是改變了形式的運動，它是（物體中粒子的）一種運動（的形式）。當物體的粒子的動力消失時，必定同時有熱產(chǎn)生，其量與粒子消失的動力精確地成正比。相反地，如果熱損失了，必定有動力產(chǎn)生。”“因此人們可以得出一個普遍命題：在自然界中存在的動力，在量上是不變的。準確地說，它既不會創(chuàng)生也不會消滅；實際上，它只改變了它的形式?！笨ㄖZ未作推導而基本上正確地給出了熱功當量的數(shù)值：370千克米/千卡。由于卡諾過早地死去，他的弟弟雖看過他的遺稿，卻不理解這一原理的意義，直到1878年，才公開發(fā)表了這部遺稿。這時，熱力學第一定律早已建立了。對能量轉(zhuǎn)化與守恒定律作出明確敘述的，首先要提到三位科學家。他們是德國的邁爾（RobertMayer，18141878）、赫姆霍茲（Hermann von Helmholtz，18211894）和英國的焦耳。1.2熱力學第一定律的幾位著名研究1.21邁爾的實驗邁爾是一位醫(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，得到了重要啟示，發(fā)現(xiàn)靜脈血不像生活在溫帶國家中的人那樣顏色暗淡，而是像動脈血那樣新鮮。當?shù)蒯t(yī)生告訴他，這種現(xiàn)象在遼闊的熱帶地區(qū)是到處可見的。他還聽到海員們說，暴風雨時海水比較熱。這些現(xiàn)象引起了邁爾的沉思。他想到，食物中含有化學能，它像機械能一樣可以轉(zhuǎn)化為熱。在熱帶高溫情況下，機體只需要吸收食物中較少的熱量，所以機體中食物的燃燒過程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。他已認識到生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的。邁爾在1842年發(fā)表的題為熱的力學的幾點說明中，宣布了熱和機械能的相當性和可轉(zhuǎn)換性，他的推理如下 ：“力是原因：因此，我們可以全面運用這樣一條原則來看待它們，即因等于果。設因c有果e，則c=e；反之，設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，某一項或某一項的某一部分絕不會化為烏有，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，則必有進一步的結(jié)果，相當于留下的原因c的全部結(jié)果將e，于是就將與前提c=e矛盾?！薄跋鄳模捎赾變?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，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。邁爾在1845年發(fā)表了第二篇論文： 有機運動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：“無不能生有，有不能變無”，“在死的和活的自然界中，這個力（按：即能量）永遠處于循環(huán)轉(zhuǎn)化的過程之中。任何地方，沒有一個過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械效應?！闭撐闹羞€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。現(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）氣體比熱的實驗數(shù)據(jù)Cp=0.267卡/克度、 Cv=0.188卡/克度計算出熱功。 計算過程如下：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度等壓膨脹時體積增大為原體積的1/274倍；氣體對外作的功，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。他以起電機為例說明了“機械效應向電的轉(zhuǎn)化?！彼J為：“下落的力”（即重力勢能）可以用“重量和（下落）高度的乘積來量度?！薄芭c下落的力轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動或者運動轉(zhuǎn)變?yōu)橄侣涞牧o關(guān)，這個力或機械效應始終是不變的常量?！?邁爾第一個在科學史中將熱力學觀點用于研究有機世界中的現(xiàn)象，他考察了有機物的生命活動過程中的物理化學轉(zhuǎn)變，確信“生命力”理論是荒誕無稽的。他證明生命過程無所謂“生命力”，而是一種化學過程，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物的生命活動，從唯物主義的立場，看成是能的各種形式的轉(zhuǎn)變。1848年邁爾發(fā)表了天體力學一書，書中解釋隕石的發(fā)光是由于在大氣中損失了動能。他還應用能量守恒原理解釋了潮汐的漲落。邁爾雖然第一個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)，不僅沒有得到人們的重視，反而受到了一些著名物理學家的反對。由于他的思想不合當時流行的觀念，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的海曼赫姆霍茲。他曾在著名的生理學家繆勒（Johannes Mller）的實驗室里工作過多年，研究過“動物熱?！彼钚潘械纳F(xiàn)象都必得服從物理與化學規(guī)律。他早年在數(shù)學上有過良好的訓練，同時又很熟悉力學的成就，讀過牛頓、達朗貝爾、拉格朗日等人的著作，對拉格朗日的分析力學有深刻印象。他的父親是一位哲學教授，和著名哲學家費赫特（Fichte）是好朋友。海曼赫姆霍茲接受了前輩的影響，成了康德哲學的信徒，把自然界大統(tǒng)一當作自己的信條。他認為如果自然界的“力”（即能量）是守恒的，則所有的 “力” 都應和機械 “力” 具有相同的量綱， 并可還原為機械 “力”。1847年，26歲的赫姆霍茲寫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日在柏林物理學會會議上的報告，由于被認為是思辨性、缺乏實驗研究成果的一般論文，沒有在當時有國際聲望的物理學年鑒上發(fā)表，而是以小冊子的形式單獨印行的。但是歷史證明，這篇論文在熱力學的發(fā)展中占有重要地位，因為赫姆霍茲總結(jié)了許多人的工作，一舉把能量概念從機械運動推廣到了所有變化過程，并證明了普遍的能量守恒原理。這是一個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頭就聲稱，他的“論文的主要內(nèi)容是面對物理學家，”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，再與物理學不同分支的各種經(jīng)驗進行比較?！?在他的論述中有一明顯的趨向，就是企圖把一切自然過程都歸結(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)主要是回顧力學的發(fā)展，強調(diào)了活力守恒（即動能守恒），進而分析了“力”的守恒原理（即機械能守恒原理）；第三節(jié)涉及守恒原理的各種應用；第四節(jié)題為“熱的力當量性，”他明確地摒棄了熱質(zhì)說，把熱看成粒子（分子或原子）運動能量的一種形式。第五節(jié)“電過程的力相當性”和第六節(jié)“磁和電磁現(xiàn)象的力相當性”討論各種電磁現(xiàn)象和電化學過程，特別是電池中的熱現(xiàn)象對能量轉(zhuǎn)化關(guān)系進行了詳細研究。文章最后提到能量概念也有可能應用于有機體的生命過程，他的論點和邁爾接近。不過，看來他當時并不知道邁爾的工作。 赫姆霍茲在結(jié)束語中寫道：“通過上面的敘述已經(jīng)證明了我們所討論的定律沒有和任何一個迄今所知的自然科學事實相矛盾，反而卻引人注目地為大多數(shù)事實所證實。這定律的完全驗證，也許必須看成是物理學最近將來的主要課題之一?！?實際上，實驗驗證這一定律的工作早在赫姆霍茲論文之前就已經(jīng)開始了。焦耳在這方面做出了巨大貢獻。1.23焦耳的實驗研究焦耳是英國著名實驗物理學家。1818年他出生于英國曼徹斯特市近郊，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家道爾頓（John Dalton，17661844）那里學習，這在焦耳的一生中起了關(guān)鍵的指導作用，使他對科學發(fā)生了濃厚的興趣，后來他就在家里做起了各種實驗，成為一名業(yè)余科學家。這時正值電磁力和電磁感應現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不久，電機當時叫磁電機（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，也缺乏對電路的深刻認識，只是感到磁電機非常新奇，有可能代替蒸汽機成為效率更高、管理方便的新動力，于是一股電氣熱潮席卷了歐洲，甚至波及美國。焦耳當時剛20歲，正處于敏感的年齡，家中又有很好的實驗條件（估計他父親廠里有蒸汽機），對革新動力設備很感興趣，就投入到電氣熱潮之中，開始研究起磁電機來。從1838年到1842年的幾年中，焦耳一共寫了八篇有關(guān)電機的通訊和論文，以及一篇關(guān)于電池、三篇關(guān)于電磁鐵的論文。他通過磁電機的各種試驗注意到電機和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，他認為這和機件運轉(zhuǎn)中的摩擦現(xiàn)象一樣，都是動力損失的根源。于是他就開始進行電流的熱效應的研究。1841年他在哲學雜志上發(fā)表文章電的金屬導體產(chǎn)生的熱和電解時電池組中的熱，敘述了他的實驗：為了確定金屬導線的熱功率，讓導線穿過一根玻璃管，再將它密纏在管上，每圈之間留有空隙，線圈終端分開。然后將玻璃管放入盛水的容器中，通電后用溫度計測量水產(chǎn)生的溫度變化。實驗時，他先用不同尺寸的導線，繼而又改變電流的強度，結(jié)果判定“在一定時間內(nèi)伏打電流通過金屬導體產(chǎn)生的熱與電流強度的平方及導體電阻的乘積成正比?！边@就是著名的焦耳定律，又稱iR定律。隨后，他又以電解質(zhì)做了大量實驗，證明上述結(jié)論依然正確。iR定律的發(fā)現(xiàn)使焦耳對電路中電流的作用有了明確的認識。 他仿照動物體中血液的循環(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)變化學熱的一種重要媒介”，并且認為，在電池中“燃燒”一定量的化學“燃料”，在電路中（包括電池本身）就會發(fā)出相應大小的熱，和這些燃料在氧氣中點火直接燃燒所得應是一樣多。請注意，這時焦耳已經(jīng)用上了“轉(zhuǎn)變化學熱”一詞，說明他已建立了能量轉(zhuǎn)化的普遍概念，他對熱、化學作用和電的等價性已有了明確的認識。 然而，這種等價性的最有力證據(jù)，莫過于熱功當量的直接實驗數(shù)據(jù)。正是由于探索磁電機中熱的損耗，促使焦耳進行了大量的熱功當量實驗。1843年焦耳在磁電的熱效應和熱的機械值一文中敘述了他的目的，寫道：“我相信理所當然的是：磁電機的電力與其它來源產(chǎn)生的電流一樣，在整個電路中具有同樣的熱性質(zhì)。當然，如果我們認為熱不是物質(zhì)，而是一種振動狀態(tài)，就似乎沒有理由認為它不能由一種簡單的機械性質(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，也必須承認，迄今尚未有實驗能對這個非常有趣的問題作出判決，因為所有這些實驗都只限于電路的局部，這就留下了疑問，究竟熱是生成的，還是從感應出磁電流的線圈里轉(zhuǎn)移出來的？如果熱是線圈里轉(zhuǎn)移出來的，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放在作為量熱器的水桶里，旋轉(zhuǎn)磁電機，并將線圈的電流引到電流計中進行測量，同時測量水桶的水溫變化。實驗表明，磁電機線圈產(chǎn)生的熱也與電流的平方成正比。焦耳又把磁電機作為負載接入電路，電路中另接一電池，以觀察磁電機內(nèi)部熱的生成，這時，磁電機仍放在作為量熱器的水桶里，焦耳繼續(xù)寫道：“我將輪子轉(zhuǎn)向一方，就可使磁電機與電流反向而接，轉(zhuǎn)向另一方，可以借磁電機增大電流。前一情況，儀器具有磁電機的所有特性，后一情況適得其反，它消耗了機械力?！?比較磁電機正反接入電路的實驗，焦耳得出結(jié)論：“我們從磁電得到了一種媒介，用它可以憑借簡單的機械方法，破壞熱或產(chǎn)生熱?！敝链?，焦耳已經(jīng)從磁電機這個具體問題的研究中領(lǐng)悟到了一個具有普遍意義的規(guī)律，這就是熱和機械功可以互相轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中一定有當量關(guān)系。他寫道 ：“在證明了熱可以用磁電機生成，用磁的感應力可以隨意增減由于化學變化產(chǎn)生的熱之后，探求熱和得到的或失去的機械功之間是否存在一個恒定的比值，就成了十分有趣的課題。為此目的，只需要重復以前的一些實驗并同時確定轉(zhuǎn)動儀器所需的機械力。” 焦耳在磁電機線圈的轉(zhuǎn)軸上繞兩條細線，相距約27.4米處置兩個定滑輪，跨過滑輪掛有砝碼，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械功。在 1843年的論文中，焦耳根據(jù)13組實驗數(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英尺的機械功?！?38磅英尺相當于1135焦耳，這里得到的熱功當量838磅英尺/英熱單位等于4.511焦耳/卡（現(xiàn)代公認值為4.187焦耳/卡）。 焦耳并沒有忘記測定熱功當量的實際意義，就在這篇論文中他指出，最重要的實際意義有兩點：（1）可用于研究蒸汽機的出力；（2）可用于研究磁電機作為經(jīng)濟的動力的可行性。可見，焦耳研究這個問題始終沒有離開他原先的目標。焦耳還用多孔塞置于水的通道中，測量水通過多孔塞后的溫升，得到熱功當量為770磅英尺/英熱單位（4.145焦耳/卡）。這是焦耳得到的與現(xiàn)代熱功當量值最接近的數(shù)值。1845年，焦耳報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)，不斷攪動水使水升溫，測得熱功當量為890磅英尺/英熱單位，相當于4.782焦耳/卡。 同年，焦耳寫了論文空氣的稀釋和濃縮所引起的溫度變化，記述了如下實驗：把一個帶有容器R的壓氣機C放在作為量熱器的水桶A中，如圖22。壓氣機把經(jīng)過干燥器G和蛇形管W的空氣壓縮到容器R中，然后測量空氣在壓縮后的溫升，從溫升可算出熱量。氣壓從一個大氣壓變?yōu)?2個大氣壓，壓縮過程視為絕熱過程，可計算壓氣機作的功。由此得到熱功當量為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，相當于4.312焦耳/卡。 1849年6月，焦耳作了一個熱功當量的總結(jié)報告，全面整理了他幾年來用槳葉攪拌法和鑄鐵摩擦法測熱功當量的實驗，給出如下結(jié)果（單位均以磅英尺/英熱單位表示）：空氣中的當量值真空中的當量值平均水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焦耳的實驗結(jié)果處理得相當嚴密，在計算中甚至考慮到將重量還原為真空中的值。對上述結(jié)果，焦耳作了分析，認為鑄鐵摩擦時會有微粒磨損，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。汞和鑄鐵在實驗中不可避免會有振動，產(chǎn)生微弱的聲音，也會使結(jié)果偏大。在這三種材料中，以水的比熱最大，所以比較起來，應該是用水作實驗最準確。 因此， 在他的論文結(jié)束時，取772作為最后結(jié)果， 這相當于4.154焦耳/卡。對此，他概括出兩點：“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，所需消耗的機械力相當于772磅下落1英尺?！苯苟鷱?843年以磁電機為對象開始測量熱功當量，直到1878年最后一次發(fā)表實驗結(jié)果，先后做實驗不下四百余次，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驗基礎之上。2、熱力學第一定律的表述2.1熱力學第一定律的文字表述表述形式：熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，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)象的宏觀過程中都有具體表現(xiàn)。在工程熱力學范圍內(nèi)，熱力學第一定律可表述為：熱能和機械能在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換時，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，也必產(chǎn)生一定的功。2.2熱力學第一定律的數(shù)學表達式在熱力學中，系統(tǒng)發(fā)生變化時，設與環(huán)境之間交換的熱為Q（吸熱為正，放熱為負），與環(huán)境交換的功為W（對外做功為負，外界對物體做功為正），可得熱力學能（亦稱內(nèi)能）的變化為U=Q+W物理中普遍使用第一種，而化學中通常是說系統(tǒng)對外做功，故會用后一種。普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中的具體表現(xiàn)。熱力學的基本定律之一。熱力學第一定律是對能量守恒和轉(zhuǎn)換定律的一種表述方式。2.3熱力學第一定律的闡釋表征熱力學系統(tǒng)能量的是內(nèi)能。通過作功和傳熱，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)過任意過程到達終態(tài)后，內(nèi)能的增量U應等于在此過程中外界對系統(tǒng)傳遞的熱量Q 和系統(tǒng)對外界作功A之差，即U2-U1=U=Q-W或Q=U+W 這就是熱力學第一定律的表達式。如果除作功、傳熱外，還有因物質(zhì)從外界進入系統(tǒng)而帶入的能量Z，則應為U=Q-W+Z。當然，上述 U 、W、Q、Z均可正可負（使系統(tǒng)能量增加為正、減少為負）。對于無限小過程，熱力學第一定律的微分表達式為Q=dU+W。因U是狀態(tài)函數(shù)，dU是全微分；Q、W是過程量，Q和W只表示微小量并非全微分，用符號以示區(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)無關(guān)。 對于準靜態(tài)過程，有Q=dU+pdV。熱力學第一定律的另一種表述是：第一類永動機是不可能造成的。這是許多人幻想制造的能不斷地做功而無需任何燃料和動力的機器，是能夠無中生有、源源不斷提供能量的機器。顯然，第一類永動機違背能量守恒定律。3、熱力學第一定律的應用3.1熱機熱機在人類生活中發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)代化的交通運輸工具都靠它提供動力。熱機的應用和發(fā)展推動了社會的快速發(fā)展，也不可避免地損失部分能量，并對環(huán)境造成一定程度的污染。3.11工作原理熱機簡化原理圖熱機是利用內(nèi)能來做功的機器，熱機的工作原理：由內(nèi)能通過做功轉(zhuǎn)化為機械能。3.12熱機效率1、凡是能夠利用燃料燃燒時放出的能來做機械功的機器就叫做熱機。2、熱機在工作過程中，發(fā)熱器(高溫熱源)里的燃料燃燒時放出的熱量并沒有全部被工作物質(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械功，其余部分隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器(低溫熱源)。工質(zhì)所作的機械功中還有一部分因克服機件摩擦而損失。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放出熱量的比，如果用C表示，燃料燃燒效率可寫成C=Q1/Q。3.14熱效率是指熱機工作部分中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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，這是熱機效率中的主要部分，它表明了熱機中熱量的利用程度。3.15機械效率是指推動機軸做功所需的熱量和熱機工作過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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。熱機效率=cmt/mq3.2熱力學第一定律的推導熱力過程的變化，由能量守恒的推導，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為熱力過程加入系統(tǒng)的熱能，其值和變化的過程有關(guān)：絕熱過程：dQ = 0。等壓過程：dQ = nCpdT。定容過程：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為負值。3.dW為熱力系統(tǒng)在熱力過程中對外界所做的功，其形式為：dW = PdV，dW為微量變化的功，在這一完整過程種