2017-03-01 14:51:46

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       热力学第一定律是能量守恒原理的一种表达方式。此定律曰:在一个热力学系统内,能量可转换,即可从一种形式转变成另一种形式,但不能自行产生,也不能毁灭。一般公式化为:一个系统内能的改变等于供给系统的热量减去系统对外环境所作的功。 热力学第一定律是生物,物理化学等学科的重要定律。

基本信息

  • 中文名

    热力学第一定律

  • 外文名

    the first law of thermodynamics

  • 应用学科

    物理

  • 提出时间

    19世纪50年代

  • 提出者

    迈耳 J.R.Mayer、焦耳 T.P.Joule

  • 表达式

    △U=Q+W

折叠 编辑本段 基本介绍

示意图示意图热力学第一定律:△U=Q+W。系统在过程中能量的变化关系

英文翻译:the first law of thermodynamics

折叠 简单解释

在热力学中,系统发生变化时,设与环境之间交换的热为Q,与环境交换的功为W,可得热力学能(亦称内能)的变化为

ΔU = Q+ W

或Q=ΔU-W(目前通用这两种说法,以前一种用的多),为了避免混淆,物理中普遍使用第一种,而化学中通常是说系统对外做功,故会用后一种。

折叠 定义

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,在转化和传递过程中能量的总和不变。

英文翻译:The first explicit statement of the first law of thermodynamics, by Rudolf Clausius in 1850, referred to cyclic thermodynamic processes

"In all cases in which work is produced by the agency of heat, a quantity of heat is consumed which is proportional to the work done; and conversely, by the expenditure of an equal quantity of work an equal quantity of heat is produced."

折叠 基本内容

热可以转变为功,功也可以转变为热;消耗一定的功必产生一定的热,一定的热消失时,也必产生一定的功。

普遍的能量转化守恒定律是一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。

热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。

表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热,系统与外界交换能量,使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律,系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后,内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差,即UⅡ-UⅠ=ΔU=Q+W或Q=ΔU-W这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外,还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z,则应为ΔU=Q+W+Z。当然,上述ΔU、W、Q、Z均可正可负(使系统能量增加为正、减少为负)。对于无限小过程,热力学第一定律的微分表达式为

dU=δQ+δW因U是状态函数,dU是全微分;Q、W是过程量,δQ和δW只表示微小量并非全微分,用符号δ以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态,只要求系统初、终态是平衡态,与中间状态是否平衡态无关。 对于准静态过程,有δQ=dU+pdV

折叠 编辑本段 发展历史

折叠 发展历史

热力学第一定律热力学第一定律法国物理学家卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796~1832)(右图)生于巴黎。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家,学术上很有造诣,对卡诺的影响很大。

卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代,他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机,性能远远超过自己国家生产的,便决心从事热机效率问题的研究。他独辟蹊径,从理论的高度上对热机的工作原理进行研究,以期得到普遍性的规律;1824年他发表了名著《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》(右图),书中写道:“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理,就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作介质来进行考虑,就必须不仅建立蒸汽机原理,而且建立所有假想的热机的原理,不论在这种热机里用的是什么工作介质,也不论以什么方法来运转它们。”

卡诺出色地运用了理想模型的研究方法,以他富于创造性的想象力,精心构思了理想化的热机——后称卡诺可逆热机(卡诺热机),提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环卡诺定理,从理论上解决了提高热机效率的根本途径。

卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西:热机必须工作于两个热源之间,才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功;明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关,动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”,指明了循环工作热机的效率有一极限值,而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。实际上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想,但由于受到热质说的束缚,使他当时未能完全探究到问题的底蕴。

1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世,年仅36岁。按照当时的防疫条例,霍乱病者的遗物一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁,幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来,其中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》,其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。

后来,卡诺的学术地位随着热功当量的发现,热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示的过程慢慢形成了。

热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。德国物理学家、医生迈尔(Julius Robert Mayer,1814~1878)(右图)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。

以后英国杰出的物理学家焦耳(James Prescort Joule,1818~1889)(右图)、德国物理学家亥姆霍兹(Hermannvon Helmholtz,1821~1894)等人又各自独立地发现了能量守恒定律。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(左图)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。

折叠 表述

热力学的基本定律之一,是能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出,热能可以从一个物体传递给另一个物体,也可以与机械能或其他能量相互转换,在传递和转换过程中,能量的总值不变。它的另一种表述方式为:不消耗能量就可以作功的"第一类永动机"是不可能实现的。

18世纪以来,流行一时的"热质说"相继为 Count von朗福德、J.R.von迈尔、J.P.焦耳等人所推翻。他们证明热是物质运动的一种表现,并逐步归纳成第一定律的表述方式。其中焦耳于1840~1850年进行的热功当量实验为这一定律的科学表述奠定了基础。焦耳的实验表明,机械能所作的功W与其转换得到的热量Q之间存在着严格的数量关系,不管转换的过程如何,一个单位的热量永远相当于E个单位的功,即W=EQ,式中E称为热功当量。在国际单位制(SI)中热量和功的单位都是焦耳(J),所以E=1。

对于封闭系统(见热力系统),热力学第一定律可表达为

Q=ΔU +W

或 δQ=dU +δW

它表明向系统输入的热量Q,等于系统内能的增量ΔU 和系统对外界作功W之和。

在热工设备中经常遇到工质稳定地流入和流出设备的开口系统(见图)的情形。这时,热力学第一定律可表达为

它表明向系统输入的热量Q,等于质量为 m的流体流经系统前后H 的增量、动能

的增量以及系统向外界输出的机械功W之和。    

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