热力学第一定律的内容及应用7300字 目 录摘 要 ......................................................................................................................... 1 关键字 ......................................................................................................................... 1 Abstract: ...................................................................................... 错误！未定义书签 Key words .................................................................................... 错误！未定义书签 引言 .............................................................................................................................. 11．热力学第一定律的产生 ................................................................................. 11.1历史渊源与科学背景 ..................................................................................... 11.2热力学第一定律的建立过程 ......................................................................... 22.热力学第一定律的表述 ..................................................................................... 32.1热力学第一定律的文字表述 ......................................................................... 32.2数学表达式 ..................................................................................................... 33.热力学第一定律的应用 ..................................................................................... 43.1焦耳实验 ......................................................................................................... 43.2热机及其效率 ................................................................................................. 5 总结 .............................................................................................................................. 7 参考文献 .................................................................................................................... 7热力学第一定律的内容及应用摘 要：热力学第一定律亦即能量转换与守恒定律，广泛地应用于各个学科领域。
本文回顾了其建立的背景及经过，它的准确的文字表述和数学表达式，及它在理想气体、热机的应用关键字：热力学第一定律；内能定理；焦耳定律；热机；热机效率引言在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破本文就这一伟大的应用于生产生活多方面的定律的建立过程、具体表述、及生活中的应用——热机，进行简单展开1．热力学第一定律的产生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,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611—547) 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500—430）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名科学家所接受,成为十八世纪热力学占统治地位的 1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，1832—1919）,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，1814～1878）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，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从 2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.热力学第一定律的表述2.1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[2]2.2数学表达式2.2.1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在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使系统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数而在热学中，煤质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部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内能定理从能量守恒原理知：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，外界又对系统做功，则内能增加应等于这两者之和为了证明内能是态 3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U2?U1?W绝热（内能定理）因为W绝热仅与初态、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]2.2.2热力学第一定律的数学表达式若将U2?U1?W绝热推广为非绝热过程，系统内能增加还可来源于从外界吸热Q，则U2?U1?Q?W（热力学第一定律一般表达式）这就是热力学第一定律的数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。