熱力學第一定律

熱力學第一定律

       熱力學第一定律是能量守恆原理的一種表達方式。此定律曰:在一個熱力學系統內,能量可轉換,即可從一種形式轉變成另一種形式,但不能自行產生,也不能毀滅。一般公式化為:一個系統內能的改變等于供給系統的熱量減去系統對外環境所作的功。熱力學第一定律是生物,物理化學等學科的重要定律。
  • 中文名稱
    熱力學第一定律
  • 外文名稱
    the first law of thermodynamics
  • 套用學科
    物理
  • 提出時間
    19世紀50年代
  • 提出者
    邁耳 J.R.Mayer、焦耳 T.P.Joule
  • 表達式
    △U=Q+W

基本介紹

熱力學第一定律:△U=Q+W。系統在過程中能量的變化關系

熱力學第一定律

英文翻譯:the first law of thermodynamics

簡單解釋

在熱力學中,系統發生變化時,設與環境之間交換的熱為Q,與環境交換的功為W,可得熱力學能(亦稱內能)的變化為

ΔU = Q+ W

或Q=ΔU-W(目前通用這兩種說法,以前一種用的多),為了避免混淆,物理中普遍使用第一種,而化學中通常是說系統對外做功,故會用後一種。

定義

自然界一切物體都具有能量,能量有各種不同形式,它能從一種形式轉化為另一種形式,從一個物體傳遞給另一個物體,在轉化和傳遞過程中能量的總和不變。

英文翻譯: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."

基本內容

熱可以轉變為功,功也可以轉變為熱;消耗一定的功必產生一定的熱,一定的熱消失時,也必產生一定的功。

普遍的能量轉化守恆定律是一切涉及熱現象的巨觀過程中的具體表現。熱力學的基本定律之一。

熱力學第一定律是對能量守恆和轉換定律的一種表述方式。

表征熱力學系統能量的是內能。通過作功和傳熱,系統與外界交換能量,使內能有所變化。根據普遍的能量守恆定律,系統由初態Ⅰ經過任意過程到達終態Ⅱ後,內能的增量ΔU應等于在此過程中外界對系統傳遞的熱量Q 和系統對外界作功A之差,即UⅡ-UⅠ=ΔU=Q+W或Q=ΔU-W這就是熱力學第一定律的表達式。如果除作功、傳熱外,還有因物質從外界進入系統而帶入的能量Z,則應為ΔU=Q+W+Z。當然,上述ΔU、W、Q、Z均可正可負(使系統能量增加為正、減少為負)。對于無限小過程,熱力學第一定律的微分表達式為

dU=δQ+δW因U是狀態函式,dU是全微分;Q、W是過程量,δQ和δW隻表示微小量並非全微分,用符號δ以示區別。又因ΔU或dU隻涉及初、終態,隻要求系統初、終態是平衡態,與中間狀態是否平衡態無關。 對于準靜態過程,有δQ=dU+pdV

發展歷史

發展歷史

法國物理學家卡諾(Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796~1832)(右圖)生于巴黎。其父L.卡諾是法國有名的數學家、將軍和政治活動家,學術上很有造詣,對卡諾的影響很大。

熱力學第一定律

卡諾身處蒸汽機迅速發展、廣泛套用的時代,他看到從國外進口的尤其是英國製造的蒸汽機,性能遠遠超過自己國家生產的,便決心從事熱機效率問題的研究。他獨闢蹊徑,從理論的高度上對熱機的工作原理進行研究,以期得到普遍性的規律;1824年他發表了名著《談談火的動力和能發動這種動力的機器》(右圖),書中寫道:“為了以最普遍的形式來考慮熱產生運動的原理,就必須撇開任何的機構或任何特殊的工作介質來進行考慮,就必須不僅建立蒸汽機原理,而且建立所有假想的熱機的原理,不論在這種熱機裏用的是什麽工作介質,也不論以什麽方法來運轉它們。”

卡諾出色地運用了理想模型的研究方法,以他富于創造性的想象力,精心構思了理想化的熱機——後稱卡諾可逆熱機(卡諾熱機),提出了作為熱力學重要理論基礎的卡諾迴圈卡諾定理,從理論上解決了提高熱機效率的根本途徑。

卡諾在這篇論文中指出了熱機工作過程中最本質的東西:熱機必須工作于兩個熱源之間,才能將高溫熱源的熱量不斷地轉化為有用的機械功;明確了“熱的動力與用來實現動力的介質無關,動力的量僅由最終影響熱素傳遞的物體之間的溫度來確定”,指明了迴圈工作熱機的效率有一極限值,而按可逆卡諾迴圈工作的熱機所產生的效率最高。實際上卡諾的理論已經深含了熱力學第二定律的基本思想,但由于受到熱質說的束縛,使他當時未能完全探究到問題的底蘊。

1832年8月24日卡諾因染霍亂症在巴黎逝世,年僅36歲。按照當時的防疫條例,霍亂病者的遺物一律付之一炬。卡諾生前所寫的大量手稿被燒毀,幸得他的弟弟將他的小部分手稿保留了下來,其中有一篇是僅有21頁紙的論文----《關于適合于表示水蒸汽的動力的公式的研究》,其餘內容是卡諾在1824-1826年間寫下的23篇論文。

後來,卡諾的學術地位隨著熱功當量的發現,熱力學第一定律、能量守恆與轉化定律及熱力學第二定律相繼被揭示的過程慢慢形成了。

熱力學第一定律與能量守恆定律有著極其密切的關系。德國物理學家、醫生邁爾(Julius Robert Mayer,1814~1878)(右圖)1840年2月到1841年2月作為船醫遠航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同,發現體力和體熱來源于食物中所含的化學能,提出如果動物體能的輸入同支出是平衡的,所有這些形式的能在量上就必定守恆。他由此受到啓發,去探索熱和機械功的關系。他將自己的發現寫成《論力的量和質的測定》一文,但他的觀點缺少精確的實驗論證,論文沒能發表(直到1881年他逝世後才發表)。邁爾很快覺察到了這篇論文的缺陷,並且發奮進一步學習數學和物理學。1842年他發表了《論無機性質的力》的論文,表述了物理、化學過程中各種力(能)的轉化和守恆的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恆定律並計算出熱功當量的人。但1842年發表的這篇科學傑作當時未受到重視。

熱力學第一定律

以後英國傑出的物理學家焦耳(James Prescort Joule,1818~1889)(右圖)、德國物理學家亥姆霍茲(Hermannvon Helmholtz,1821~1894)等人又各自獨立地發現了能量守恆定律。1843年8月21日焦耳在英國科學協會數理組會議上宣讀了《論磁電的熱效應及熱的機械值》論文,強調了自然界的能是等量轉換、不會消滅的,哪裏消耗了機械能或電磁能,總在某些地方能得到相當的熱。焦耳用了近40年的時間,不懈地鑽研和測定了熱功當量。他先後用不同的方法做了400多次實驗,得出結論:熱功當量是一個普適常量,與做功方式無關。他自己1878年與1849年的測驗結果相同。後來公認值是427千克重·米每千卡。這說明了焦耳不愧為真正的實驗大師。他的這一實驗常數,為能量守恆與轉換定律提供了無可置疑的證據。

熱力學第一定律 熱力學第一定律

1847年,亥姆霍茲(左圖)發表《論力的守恆》,第一次系統地闡述了能量守恆原理,從理論上把力學中的能量守恆原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程,揭示其運動形式之間的統一性,它們不僅可以相互轉化,而且在量上還有一種確定的關系。能量守恆與轉化使物理學達到空前的綜合與統一。

將能量守恆定律套用到熱力學上,就是熱力學第一定律。

表述

熱力學的基本定律之一,是能量守恆和轉換定律的一種表述方式。熱力學第一定律指出,熱能可以從一個物體傳遞給另一個物體,也可以與機械能或其他能量相互轉換,在傳遞和轉換過程中,能量的總值不變。它的另一種表述方式為:不消耗能量就可以作功的"第一類永動機"是不可能實現的。

18世紀以來,流行一時的"熱質說"相繼為 Count von朗福德、J.R.von邁爾、J.P.焦耳等人所推翻。他們證明熱是物質運動的一種表現,並逐步歸納成第一定律的表述方式。其中焦耳于1840~1850年進行的熱功當量實驗為這一定律的科學表述奠定了基礎。焦耳的實驗表明,機械能所作的功W與其轉換得到的熱量Q之間存在著嚴格的數量關系,不管轉換的過程如何,一個單位的熱量永遠相當于E個單位的功,即W=EQ,式中E稱為熱功當量。在國際單位製(SI)中熱量和功的單位都是焦耳(J),所以E=1。

對于封閉系統(見熱力系統),熱力學第一定律可表達為

Q=ΔU +W

或 δQ=dU +δW

它表明向系統輸入的熱量Q,等于系統內能的增量ΔU 和系統對外界作功W之和。

在熱工設備中經常遇到工質穩定地流入和流出設備的開口系統(見圖)的情形。這時,熱力學第一定律可表達為

它表明向系統輸入的熱量Q,等于質量為 m的流體流經系統前後H 的增量、動能

熱力學第一定律

的增量以及系統向外界輸出的機械功W之和。    

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