熱力學(xué)第一定律的發(fā)展

1、熱力學(xué)第一定律的發(fā)展熱力學(xué)第一定律( the first law of thermodynamics )就是不同 形式的能量在傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程中守恒的定律，表達(dá)式為Q/ U+W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。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)

2、家柯?tīng)柖? L.Colding ， 1815 1888)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(lèi)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(chēng)。 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

3、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。 ” 于1840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。 ”以后他把赫斯的這一 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 , 1

4、7961832)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。 ”卡諾未作推導(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

5、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(Hermannvon Helmholtz , 1 82 1 1 894)和英國(guó)的焦耳。這條定律廣泛應(yīng)用于他的熱化學(xué)研究中。 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?，?也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔幌?/p>