10.8 热力学第一定律在线视频

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