热力学第一定律.ppt

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1、热力学第一定律,亥姆霍兹,1 热力学第一定律的产生1.1 历史渊源与科学背景1.2 热力学第一定律的建立过程2 热力学第一定律的表述2.1 热力学第一定律的文字表述2.2 数学表达式内能定理热力学第一定律的数学表达式3 热力学第一定律的应用3.1 焦耳实验3.2 热机及其效率热机热机循环,目录,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,火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。中国古代就对火热的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”金、木、水、火、土,就把火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,故炼金则水出

2、,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611547)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（Empedocles,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配合,与我国的五行说十分相似。但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。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,并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象,因而这种学说为当时一些著

3、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渐渐地为更多的人们所注意。特别是英国化学家和物理学家克鲁克斯（M.Crookes，18321919）,所做的风车叶轮旋转实验,证明了热的本质就是分子无规则动的结论。热动说较好地解释了热质说无法解释的现象,如摩擦生热等。使人们对热的本质的认识大大地进了一步。戴维以冰块摩擦生热融化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说服力的实例,激励着更多的人去探讨这一问题。,热力学第一定律的产生,1.2热力学第一定律的建立过程 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

4、。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。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，这是热力学第一定律的第一次提出。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，18141878）1840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，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功

5、的关系。他将自己的发现写成论力的量和质的测定一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。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计算出热功当量的人。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、不会消灭的，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

6、研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，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律提供了无可置疑的证据。1847年，亥姆霍兹发表论力的守恒，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从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，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律1。,2.1

7、热力学第一定律的文字表述自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，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一定律，也称为能量转换与守恒定律，这一定律也被表示为：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。,热力学第一定律的表述,2.2数学表达式内能定理 将能量守恒与转换定律应用于热效应就是热力学第一定律，但是能量守恒与转化定律仅是一种思想，它的发展应借助于数学。马克思讲过，一门科学只有达到了能成功地运用数学时，才算真正发展了。另外，数学还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

8、为公理，以此为出发点，层层推论，建成一个严密的体系。热力学也理应这样的发展起来。所以下一步应该建立热力学第一定律的数学表达式。第一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，我们应该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还是守恒的。内能是系统内部所有微观粒子（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。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。若系统既吸热，外界又对系统做

9、功，则内能增加应等于这两者之和。为了证明内能是态函数，也为了能对内能做出定量的定义，先考虑一种较为简单的情况绝热过程，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实验，其结果是：一切绝热过程中使水升高相同的温度所需要做的功都是相等的。这一实验事实说明，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，这个恒量就被定义为内能的改变量，即（内能定理）因为 仅与初态、末态有关，而与中间经历的是怎样的绝热过程无关，故内能是态函数3。,热力学第一定律的数学表达式 若将 推广为非绝热过程，系统内能增加还可来源于从外界吸热Q，则（热力学第一定律一般表达式）这就是热力学第一定律的数

10、学表达式。前面已讲到，功和热量都与所经历的过程有关，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改变量了4。,3.1焦耳实验理想气体的内能仅是温度的函数,即（1）这一规律称为焦耳定律，是一个很重要的定律,它是理想气体宏观定义的两个条件之一。从微观角度很容易理解,因为理想气体忽略分子间的作用力,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实验得到焦耳定律的。取1摩尔气体,由热力学关系式可以得到（2）其中,和,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赖关系,焦耳曾于1845年做了如图所示的气体自由膨胀

11、实验,容器A中充满被压缩的气体,容器B为真空,A、B相联处用一活门C隔开,整个装置放入量热器的水中。当活门C打开后,气体将自由膨胀充满整个容器。这就是著名的焦耳实验。焦耳测量了气体膨胀前后水的平衡温度,发现水的平衡温度没有改变。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；第二,膨胀前后气体的温度没有改变。由第一点,根据热力学第一定律可知。气体的绝热自由膨胀是一个等内能过程,由第二点再根据（2）式,有即焦耳实验的结果表明气体的内能仅是温度的函数5。,3.热力学第一定律的应用,3.2热机及其效率 18世纪第一台蒸汽机问世后,经过许多人的改进,特别是纽

12、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,但其效率却一直很低,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。人们一直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进,尽量减少漏气、散热和摩擦等因素的影响,但热机效率的提高依旧很微弱。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,根据热机的基本工作过程,研究了一种理想热机的效率,这种热机确定了我们能将吸收的热量

13、最大限度地用来对外做 有用功(此即著名的卡诺定理),且该热机效率与工作物质无关,仅与热源温度有关,从而为热机的研究工作确定了一个正确的目标6。,热机 热机是指把持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。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,还需对外放出一部分热量,这是由循环过程的特点决定的。所谓循环过程,是指系统(即工作物质)从初态出发,经历一系列的中

14、间状态,最后回到原来状态的过程。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,逆时针循环为制冷机。,热机效率仅与两个热源接触情形 对于一个热机,由热力学第二定律知:不可能从单一热源吸热,不需对外放热

15、,而使之全部变成有用功而不产生其他影响。由此可知,热机不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为功,即热机效率不能达到100%,这样,人们就必然会关心燃料燃烧所产生的热中,或热机从高温热源吸收的热量中,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 表示，、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收的热量,W 表示热机对外做的功,则有:（1）对于整个循环中，系统回到原状态，知 由热力学第一定律（2）得：(3)将（3）代入（1）得：（4）总结 本文回顾了热力学第一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决定性的作用，而后，向读者详细阐述了热力学第一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单的分析，热力学第一定律，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，是一项伟大的定律。,谢谢观赏,