当前课程知识点：大学物理1 (力学、热学) > 期末考试 > 期末考试--期末考试Part3 > 10.8 热力学第一定律
同学好
这一节我们讲热力学第一定律
热学的建立和第一次工业革命密切相关
18世纪中叶开始
以瓦特发明蒸汽机为代表
大量地制造蒸汽机为动力的机器代替人力
生产力呢得到很大的发展
可是在这个过程当中呢
人们有新的需求提出来
就是什么呢
你蒸汽这个动力啊是要烧煤的
人们就想我可不可以少烧点煤
能节省一些成本
那这就是 热机的效率问题
当时有很多工程师加入到了这个
热机效率的研究当中
这也就是热学这个学科建立的开始
那么一开始人们对这个热啊温度啊
这些概念都是不清楚的
你比如说当时人们以为这个热啊
是由热质这样东西携带的
热质是一种看不见摸不着的东西
但是它携带着热
所以他们想当你把这个高温物体
和低温物体放在一起的时候
高温物体里面的热质流向了低温物体
达到平衡以后呢
两个物体的温度啊就一样了
对摩擦呢
他就想当你摩擦物体的时候啊
实际上是物体内部的热质流出来了
所以就放热了
他是这样想的
可是这样的解释是有矛盾的
有个叫伦福德的人他观察炮筒的生产过程
这个历史上把它叫做炮筒钻孔实验
就是你要把一个圆柱形的铁啊
穿孔变成一个铁管
这个过程当然会有大量地摩擦
摩擦就会生成热
他观察发现只要你这个削铁的过程不停止
摩擦不停止热就源源不断的从铁里流出来
这就好比这个铁里面呢有无限多的热质
当然什么东西无限多的话
大家就认为这可能不太合理
后来人们就想这个不停地摩擦才有热量出来
会不会这个热是运动能量呢
那么焦耳 迈耶 以及赫姆霍兹这些人呢
是最早认识到这个热可能是和能量相关联的
但是在物理学里面呢
你要做定量的实验才有信服力
焦耳呢就开始做热功当量实验
这是一个热功当量这个实验的一个示意图
这是一个叶片
它呢和这个轴啊连在一起
这个轴上呢绕上绳子
绳子通过这个滑轮挂上一个重物
重物下落的时候呢
就可以带动这个叶片啊转动 搅动这个水
水的温度就会上升
当然我们知道水如果吸热的话
它的温度也上升
那么通过比较
他就可以测定多大的功相当于多少热量
这就是热功当量实验
那么这个实验呢
现在我们知道
测出来的结果是一个卡路里的热量呢
相当于4.18焦耳的功
当然这不是焦耳当初测量的结果
这是现在准确的结果
这里面这个卡路里啊
是一克水升高一度的时候吸收的热量
那关于这个一卡这个单位的热量呢
我们在这里面插一句啊
因为现在减肥比较流行
通常我们说某些蛋糕
多少克里面含有多少卡的热量
某一块香肠它含有多少的热量
就是多少卡的热量
其实这种说法呀不是很严格的说法
但是它并不错
因为它含有这样的含义
它是说呀当你吃掉这个蛋糕的时候
或者你吃掉那块香肠的时候
通过你消化
这个过程当中放出来的热是多少多少卡
是这样的意思
因为我们吃东西消化这个过程是固定的
所以我们通常简略地说这个食物含热量多少卡
是这样的
回到我们这个问题
当焦耳做了这个热功当量这个实验以后
当然人们就开始相信了
这个热其实和功一样是能量的某种形式
前面讲力学里面我们说过有机械能守恒
可是假如在这个过程当中有摩擦力做功的话
机械能是不守恒的
原因是因为摩擦力做功会生热
有一部分机械能呢转变成热散失掉了
其实这个过程
是有一部分机械能转换成了物体的内能
那内能升高了以后呢它的温度上升了
那当然它会向环境放热
是这样损失了
现在我们知道其实内能也是能量的一种形式
所以在有摩擦力做功的情况下
虽然机械能是不守恒的
可是能量守恒可能还是成立的
这个能量呢不仅包括机械能还包括内能啊
这个内能呢可以通过热传递传来传去
所以热力学第一定律
其实就是有关能量守恒这个定律
假如说系统从外界吸热Q
对外界做功W
系统内能从初态E1变成E2
那么这个时候呢假如能量守恒的话
我们就有下面这样一个式子
吸的热等于这个系统对外做的功
以及这个系统内能的增加
这就是热力学第一定律
其实这也是能量守恒
那么第一定律的发现呢
在物理学里面有非常重要的意义
它不仅仅是把机械能守恒啊
推广到了有热的情况下的能量守恒
很重要的是发现热力学第一定律以后啊
人们就开始相信能量守恒这样一个概念
所以以后啊不论遇到什么能量
电磁能 核能 化学能 生物能
不管有什么形式的能量参与
人们相信能量应该是守恒的
能量不守恒的过程是不可能发生的
那么当时人们不是想提高热机的效率吗
那效率最高的话
就是你不输入能量还有能量输出
可是热力学第一定律的发现告诉你
这样的过程是不可能的
这样的热机是不存在的
也就是说第一类永动机是不可能的
这是热力学第一定律的另一种表述
什么是永动机呢
在我刚上初中的时候啊
我学会什么是发电机 什么是电动机以后啊
我就想为什么不把发电机啊接到电动机上
电动机转起来
再把这个转动的电动机呢带动发电机
这样不是发电机就可以一直发电吗
不需要输入任何能量
当时我不明白这样的系统为什么是不行的
现在我们知道那其实是一个永动机对吗
下面我们再来看一段
关于永动机的一个演示实验
热力学第一定律
虽然确定第一类永动机是不可能的
但是还是有很多人啊
尝试制造各种各样类似于永动机的
这样一个装置
这里面给大家演示看的呢叫做饮水鸟
如果没有人打扰的话呢
它就会永无止歇地这样运动下去
它这里面呢既没有电池也没有发条
这样的驱动装置
那它这个看起来是永动机
那其实我们知道永动机是不可能的
那它的奥妙呢就在于这个试管里面装着
这个蓝色的这个液体
这个蓝色的液体呢是乙醚
它挥发比较快
那么它的具体的原理
如果大家感兴趣的话可以查阅有关的资料
不是很难
但它肯定不是永动机
那么这个式子呢是热力学第一定律
关于有限过程的表达式
如果是无限小的过程呢
我们可以把热力学第一定律啊
表示成下面的这种形式
注意这里面这个吸热也好做功也好
它是一个过程量
而这里面内能的增量它是一个微分量
下面呢我们讲一个例子啊
这是一个水槽里面装了一个盒子
盒子里面一半这个地方装有理想气体
我们用一个隔板给它隔开了
右面这个地方呢是一个真空
现在我们把这个阀门打开啊 隔板打开
那么理想气体呢
就自由膨胀到整个这个盒子里面 对吧
实验过程呢
我们看到水温一直是不改变的
那么问
这个过程气体吸热是多少啊
气体做功是多少啊
气体内能改变是多少啊
气体温度改变是多少啊
那么第一个问题啊
假如气体吸热的话
它是从水中吸热
那么水的温度就会发生变化
可是实验上呢没有观察到这种变化
所以我们说这个过程啊
气体不从水中吸热
那气体做不做功呢
因为这个过程是自由膨胀过程
这个气体啊没有阻挡没有地方做功
所以它是不做功的
气体内能变化呢
我们可以利用热力学第一定律来求出来
因为在这个过程当中气体是不吸热的
这个Q是等于零
它也不做功 W也是等于零
当然它的内能就不改变
因为这是理想气体
内能不改变温度就不改变
好 这一节内容就讲到这儿 谢谢
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