热力学第一定律的发展

1、热力学第一定律的发展热力学第一定律( the first law of thermodynamics )就是不同 形式的能量在传递与转换过程中守恒的定律，表达式为Q/ U+W表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体， 也可以与机械能或 其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。19 世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关 系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转 化得到了广泛的研究。埃瓦特( Peter Ewart ， 17671842)对煤的 燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究， 建立了定量联系。丹麦工程师和物理学

2、家柯尔丁( L.Colding ， 1815 1888)对热、功之间的关系也作过研究。 他从事过摩擦生热的实验， 1843年丹麦皇家科学院对他的论文签署了如下的批语 “柯尔丁的这 篇论文的主要思想是由于摩擦、 阻力、压力等造成的机械作用的损失， 引起了物体内部的如热、 电以及类似的动作， 它们皆与损失的力成正 比。”俄国的赫斯( G.H.Hess ， 18021850)在更早就从化学的研究 得到了能量转化与守恒的思想。他原是瑞士人，3岁时到俄国，当过医生，在彼得堡执教，他以热化学研究著称。 1836 年赫斯向彼得堡 科学院报告：“经过连续的研究，我确信，不管用什么方式完成化合， 由此发出的热总

3、是恒定的， 这个原理是如此之明显， 以至于如果我不 认为已经被证明，也可以不加思索就认为它是一条公理。 ” 于1840年3月27日在一次科学院演讲中提出了一个普遍的表述： “当 组成任何一种化学化合物时， 往往会同时放出热量， 这热量不取决于 化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。 ”以后他把赫斯的这一 发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理； 热和功的总量与过程 途径无关， 只决定于体系的始末状态。 体现了系统的内能的基本性质 与过程无关。赫斯的定律不仅反映守恒的思想，也包括了“力” 的转变思想。至此，能量转化与守恒定律已初步形成。其实法国工程 师萨迪卡诺(Sadi Carnot , 1

4、7961832)早在1830年就已确立了 功热相当的思想，他在笔记中写道： “热不是别的什么东西，而是动 力，或者可以说，它是改变了形式的运动，它是(物体中粒子的)一 种运动(的形式)。当物体的粒子的动力消失时，必定同时有热产生， 其量与粒子消失的动力精确地成正比。相反地，如果热损失了，必定 有动力产生。”“因此人们可以得出一个普遍命题： 在自然界中存在的 动力，在量上是不变的。准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际 上，它只改变了它的形式。 ”卡诺未作推导而基本上正确地给出了热 功当量的数值： 370 千克米 / 千卡。由于卡诺过早地死去，他的弟弟 虽看过他的遗稿，却不理解这一原理的意义，直

5、到 1878 年，才公开 发表了这部遗稿。这时，热力学第一定律早已建立了。对能量转化与 守恒定律作出明确叙述的， 首先要提到三位科学家。 他们是德国的迈 尔(RobertMayer, 18141878)、赫姆霍兹(Hermannvon Helmholtz , 1 82 1 1 894)和英国的焦耳。这条定律广泛应用于他的热化学研究中。 表述形式： 热量可以从一个物体传递到另一个物体， 也可以与机械能 或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。普 遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中都有具体表现。在工程热力学范围内，热力学第一定律可表述为：热能和机械能在转 移或转换时，能量的总量必定守恒。基本内容：热可以转变为功，功 也可以转变为热；消