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1、热力学第一定律的应用 艾泉（学号：20131103726）（物理与电子信息学院13级物理学汉班，内蒙古 呼和浩特 010022）指导教师：周炳卿摘要：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。本文讲述了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。热力学第一定律：当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的增量等于在这个过程中外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的总和。系统在任一过程中所吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界所作的功之和。关键字：热力学第一定律； 焦耳定律； 热机； 热机效率Abstract: Thermodynamic f
2、irst law namely, energy conversion and conservation laws and widely application in various fields. This paper describes the exact wording and mathematical expressions and it in an ideal gas, the application of heat engine. The first law of Thermodynamics: when thermodynamic system by a state through
3、 the course of the arbitrary arrived in another state, system of internal energy increment equal to the sum of the heat absorbed in this process in the outside of the system function and system. System in any process to absorb heat is equal to the internal energy of the system and the increment of t
4、he system to external power and.Key words: the first law of thermodynamics; Joules law; engine; thermal efficiency.1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、
5、及生活中的应用热机，进行简单展开。2 热力学第一定律的应用2.1 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 (2)可以得到 (3) 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实验,容器A中充满被压缩的气体,容器B为真空,
6、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 (4)即焦耳实验的结果表明气体的内能仅是温度的函数1。2.2 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
7、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最大限度地用来对外做有用功(此即著名的卡诺定理),且该
8、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2。2.2.1 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2.2.2 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,经历一系列的中间状态,最后回到原来状态的过程。一个循环
9、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。2.2.2 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,而使之全部变成有用功而不产生其他
10、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: （5）对于整个循环中，系统回到原状态，知 由热力学第一定律 （6）得： (7) 将（7）代入（5）得： （8）3 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、在定律建立中所起的决定性的作用，而后，向读者阐述了热力学第一定律的文字表述及数学表达式，接着，列举了几个热力学第一定律的应用。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，是一项伟大的定律参考文献：1 吴百诗.大学物理.M.西安：西安交通大学出版社，2008.527 2 秦允豪热学.M北京：高等教育出版社，2004.117118 3 郭奕玲，沈慧君物理学史.M北京：清华大学出版社，1993.1315
