热力学第一定律.doc

热力学第一定律专业：[应用化学]学生姓名：[孟辉辉]学 号：[21207110]摘要：热力学第一定律即能量守恒及转换定律，在热学中占有重要的地位,广泛地应用于学科的各个领域，和热力学第二定律一起构成了热力学的基本,因此,深刻地理解和掌掘该定律显得尤为重要，本文论述了其产生的历史背景，具体内容及其应用等核心词：热力学第一定律 历史背景 内容 应用一、 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,　火的发明和运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人类在古代就对火热的本性进行了探讨,但是人类对热的本质的结识却是很晚的事情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， 即热质热素所构成,　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某些出名科学家所接受, 成为十八世纪热力学占统治地位的理论然而1７98年和1799年, 伦福德和戴维先后以金属钻屑实验和两块冰在真空容器中摩擦融化的实例对热质说进行辩驳, 无可争辩的事实, 迫使人们去寻找更新的理论十九世纪以来,　热之唯动说徐徐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运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结识大大地进了一步二、有关学科的支持与准备在热力学第一定律形成之前，　自然科学的发展在诸多方面为能量守恒和转化定律奠定了基本，　在不同的方面为定律的建立作好了前期的准备, 重要体目前如下几种方面:1、物理学方面机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的特殊状况, 早在力学形成之初便有了能量守恒的萌芽，十七世纪已构成了明确的运动不灭思想，　几百年来，永动机未能导致的事实，　也从背面提供了能量守恒的例证１8３5年哈密顿原理的提出， 致使机械能守恒已经成为力学中的基本内容十九世纪二、三十年代， 电磁学规律陆续发现, 人们自然对电与磁、电与热, 电与化学等关系密切注视, 法拉第的许多工作都波及能量转化现象, 如电磁感应、电化学和光的磁效应等等而塞贝克于１8发现的温差电现象则是“ 自然力”　互相转化的又一重要例论2、生物学与化学方面在当时, 拉瓦锡和拉普拉斯早已证明某一化学反映过程所放出的热量等于它的逆反映过程所吸取的热量，　李比希设想动物的体热和它的机械活动的能量, 也许来自食物的化学能。

莫尔则进一步理解为不同形式的“　力”　都是“　机械力” 的体现，力在合适条件下可以体现为运动, 化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁,　从这些运动形式中的每一种可以得出一切其他形式总之，　到了十九世纪四十年代前后, 多种自然现象之间互相联系和转化的事实已被相继发现, 欧洲科学思想中已经普遍蕴含着一种氛围, 即以一种联系的观点去观测自然这些思想为热力学第一定律的最后建立发明了良好的科学环境三、热力学第一定律的确立能量守恒和转化定律的发现与其她基本物理规律的发现的最大不同之处在于它不是某一位科学家独立研究而提出的, 而是由许多科学家在不同的研究领域分别发现的到了十九世纪四十年代前后，西欧的四、五个国家, 从事七、八种专业的十多位科学家分别通过不同的途径, 各自独立地发现了能量守恒与转化规律,　而其中最重要的又首推迈尔、焦耳和亥姆霍兹的工作１、迈尔的工作罗伯特·迈尔是一位德国医生, 通过对温带与热带地区人类静脉血液颜色的差别的对比分析, 意识到了食物化学能可以像机械能同样生热， 它们之间应当并且也可以以量的关系转化1842年, 她将这些观点写成题为《论无机界的力》的论文， 在这篇文章中迈尔从“无不生有, 有不变无”和“因素等于成果”等哲学观点出发, 体现了物理、化学过程中力的守恒思想, 提出了建立不同的“　力” 之间数量上的当量关系的必要性。

1845年, 迈尔在另一论文《与有机运动相联系的新陈代谢》中更是进一步肯定了力的转化与守恒规律是支配宇宙的普遍规律, 并且通过对“运动的力”,“下落力”,“热”,“电”,“化学力”等不同的具体形式进行讨论, 得出了出名的迈尔公式ＣP－CV＝R, 继而得出热功当量值J=△W/△Ｑ＝３6５公斤米/千卡,　相称于３.6焦耳/卡(1公斤米／千卡=9．8×10-３焦耳/卡, 如下同)最先以量化的形式给出了运动形式的转化关系2、焦耳的工作英国科学家焦耳有关热功当量的测定, 为最后确立热力学第一定律奠定了坚实的实验基本, 1840年焦耳通过测定电流通过电阻线所放出的热量,　总结出了出名实验定律—焦耳定律, 即Ｑ=0.2４12　ＲT，此后，她先后作了4００多次实验, 验证了“热与机械力是可以互相转换的”， 最后得出热功当量值为423.８3公斤米/千卡1８45年, 焦耳进一步做了通过绝热压缩空气过程的功与空气升温时的定量关系的实验，之后,　又进行了空气向真空自由膨胀的实验(即现称的焦耳实验)以及它和W.汤姆生合伙的绝热节流膨胀实验焦一汤效应实验后来又通过一系列极为精确的实验，　焦耳又将热功当量值拟定为42３.8５公斤米／千卡(4.15３焦耳/卡)， 这已和现代精的确验极为接近了她和迈尔分别从不同的方面和不同的途径达到了对能量转化与守恒的证明。

3、亥姆霍兹的工作德国物理学家亥姆霍兹从多方面论证了能量转化与守恒定律， 其中最重要的是从否认永动机的存在这一途径来完毕的亥姆霍兹又从无摩擦的力学过程、光的干涉的明暗条纹、抱负弹性体的运动、电和磁等多方面加以了分析和例证, 她的这一工作从理论上对能量守恒原理作出了重要概括亥姆霍兹所拟定的大纲,　成为了后来一种时期物理学发展的基本内容, 给了那个时代整个物理学界强有力的影响4、热力学第一定律的内容热力学第一定律的文字表述是:自然界一切物质都具有能量,能量有多种不同的形式,可以从一种形式转化为此外一种形式，从一种物体传递到此外一种物体，在传递与转化中能量的数量不变从中可知，能量既不会消失也不会无中生有，转化的过程中具有不灭性，而作功必须由能量转化而来,因此,永动机是不町能实现的因此，热力学第一定律也可表述为：第一类永动机是不也许导致的5、 热力学第一定律的数学体现式将一种热力学系统通过一定的热力学过程由初态A转变到末态Ｂ,系统与外界互换的热量为Q.与外界做的功为W，计算出Q＋W的值，再让系统通过多次不同的热力学过程由初态A转变到末态B再计算出Ｑ+Ｗ的值，我们会发现其成果是同样的，这阐明了，一种热力学系统在转化的过程中,只要初态和末态相似．其能量的变化Ｑ+Ｗ的值也相似,与A到B所经历的过程无关。

这样,就可以引进一种态函数来表达热力学系统在热力学过程中内能的变化，这个态函数定义为内能,用U表达,即系统内能的的增量等于外界对系统所做的功和传递给系统的热量之和然而,系统的内能也许是增长的也也许是减少的，由于系统也许是吸取外界的能量或者对外放出能量,也许外界对系统作功或者系统对外界作功，因此，其数学体现式就有多种形式,如下:△U=Q+W　 　 　(1)△U＝Q－W　 　 (2)△U＝一Q+W (３)△U=一Q—W 　 （4)以上四种形式中,△Ｕ、Q和W这三个物理量的正负取值不同，其体现的物理意义也不同在(1）式中，若△Ｕ>Ｏ,表达系统内能增长;若Q>O,表达系统从外界吸取热量:若W>Ｏ,表达外界对系统作功在（2)式中,若△U＞O，表达系统内能增长；若Q>O,表达系统从外界吸取热量;若Ｗ>O.表达系统对外界作功在（３)式中，若△U＞O,表达系统内能增长;若Q＞O．表达系统向外界输出热量;若Ｗ>O,表达外界对系统作功在(4)式中,若△Ｕ>Ｏ，表达系统内能增长；若O>Ｏ,表达系统向外界放出热量；若W＞O,表达系统对外界作功若每个式子中的变量正负号取值相反，其体现的物理意义也正好相反。

四、 热力学第一定律的图示解说(1) 系统是将一部分物体从其他部分中划分出来作为研究的对象, 而在系统以外并与系统有互相作用的部分则称之为环境若把研究的系统与有互相作用的环境共同考虑,　则可构成一种与外界既没有能量互换, 又没有物质互换的全新系统——孤立系统使学生理解, 究竟选择哪一部分物体作为系统,　这并没有一定的规则， 而是根据具体的状况, 以解决问题的以便为准则２)图中虚线所包围的部分即我们所研究的对象——系统, 它只与环境间进行能量的互换, 而没有物质的传递，　这样的系统称之为“封闭系统”其中,虚线表达系统与环境之间一定存在的一种边界， 该边界既可以是真实的, 也可以是虚构的; 既可以是刚性的, 也可以是活动的热力学研究的系统均为封闭系统, 孤立系统是个特例使学生明白,　由此展开的一系列学习内容都是建立在这样的基本之上，　除非特别注明3)从图中可以看出, 系统状态的变化是由于系统与环境之间进行了能量的互换的成果, 根据能量守恒定律知： 系统与环境的能量变化, 大小相等， 方向相反，　即互为相反数,　±△U系统＝μ△U环境若把研究的系统与环境合为孤立系统， 可知在孤立系统中各物体的内能总和恒定不变, 这是热力学第一定律的又一种表述。

4)　从图中可以看出, 热和功只是系统与环境之间能量互换的一种形式， 当一种系统由状态A　通过热和功的传递变到状态B 时, 虽然通过给系统提供能量, 其内能增长了， 但并不是把热量贮存到了系统中去,　此外, 系统对环境做功, 也不能说系统做功的能力增强了从图可知, 当一种变化结束后,　看不到热和功的影子， 它只有在变化的过程中体现出来, 而当热和功一旦“跨入”系统的边界, 能量的传递即告结束, 不再称为热和功以热和功传递的能量已经变为系统或环境内部能量的一部分,　在体系的能量中已无法辨认哪部分是由热和功转变而来, 哪部分不是这样可使学生更好的理解热和功不是状态函数,而只是过程量,　只有在变化过程中才故意义因此同样的始、终态, 不同的变化过程, 热和功的数值也许有很大的不同， 因此才在背面的篇幅中来探讨和解决不同过程中热和功的计算问题五、热力学第一定律的应用热力学第一定律的数学体现式以数学的形式体现了能的转化和守恒定律，在实际中有着广泛的应用在解题时应分三个环节，第一,明确研究对象,即拟定研究的足那个物理或热力学系统；第二,分析研究对象内能的变化是由自身还是外界还是共同通过哪些过程引起的；第三,根据引起变化的过程拟定△U、Ｑ和ｗ的物理意义和正负号,代入公式求解，下面举例阐明。

例：水在一种原则大气压下沸腾时，汽化热为L=2264]／ｇ，这时质量ｍ=lg的水变为水蒸气,其体积由V１=1．０43cm3变为V2=167６cｍ3，在该过程中水吸取的热量是多少?水蒸气对外界做的功是多少？增长的内能是多少?解析：lg水汽化过程中吸取的热量为：Ｑ=mL=lg×2264J／ｇ=２264Ｊ水蒸气在１个原则大气压下做等压膨胀，对外界所做的功为:W=ρV2一ＶI)=1．013 X105×(１6７6一１.０４3)×1０６=169．7Ｊ根据热力学第一定律，水由液态变为气态增长的内能为:　 △U＝Q-W=（22６4-16９.7)J＝209４.3J从上题的解析可以看出，对的理解题意，精确拟定系统是吸取热量还是放出热量，是系统对外界作功还是外界对系统作功是解决问题核心六、热力学第一定律的伟大历史作用能量守恒和转化定律的发现是人类结识自然的一种伟大进步,　它揭示自然界是一种互相联系、互相转化的统一体, 第一次在空前广阔的领域里把自然界多种运动形式联系起来， 以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图象在理论上, 这个定律的发现对自然科学的发展和建立辩。