热力学第一定律及其思考论文.
热力学第一定律论文素材
热力学第一定律论文素材热力学第一定律是热力学中的基本原理之一，它描述了能量守恒的原则。
根据热力学第一定律，能量可以从一个系统转移到另一个系统，但总能量的量不会发生变化。
这个原理对于我们理解和解释自然界中的各种现象以及工程应用都具有重要意义。
热力学第一定律的表达方式可以通过如下公式表示：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能量的变化，Q表示系统所吸收的热量，W表示系统所做的功。
这个公式意味着系统的内能变化等于吸收的热量减去所做的功。
在自然界和工程应用中，热力学第一定律可以解释许多现象。
让我们来看几个例子。
例子一：汽车内燃机工作原理汽车内燃机是使用热力学第一定律的典型例子。
在汽车内燃机中，燃烧燃料产生高温高压气体，这些气体通过活塞的往复运动转化为机械能，从而驱动汽车前进。
在这个过程中，热量从燃料中释放出来，一部分被转化为机械能，一部分通过散热排放到环境中。
根据热力学第一定律，燃料燃烧释放的热量减去做功的能量等于系统内能的变化。
例子二：太阳能电池板太阳能电池板利用太阳的辐射能将其转化为电能。
在太阳能电池板中，太阳的光线激发半导体中的电子，形成电流。
这个过程中，太阳能被转化为电能，而热量很小。
根据热力学第一定律，吸收的太阳能等于电能的输出。
这些例子说明了热力学第一定律的应用范围和重要性。
通过应用这个原理，我们可以分析和解释各种现象，以及设计和改进许多工程应用。
除了在实际应用中的重要性，热力学第一定律也对科学研究和学术发展产生了深远的影响。
它为热力学和能量转化领域的研究奠定了基础，为人们对自然界的认知提供了重要的指导。
总结起来，热力学第一定律是能量守恒的基本原理，它在自然界和工程应用中发挥着重要的作用。
通过应用这个定律，我们可以解释许多现象，并设计和改进各种工程应用。
热力学第一定律的研究对于科学发展和人类对自然界的认识具有重要意义。
能量守恒定律 热力学第一定律
能量守恒定律热力学第一定律
能量守恒定律是热力学中的基本定律之一，也称为热力学第一定律。
它表明，在任何系统中，能量既不能被创造，也不能被毁灭，只能在不同形式之间转化。
换句话说，系统中的能量总量保持不变，即能量守恒。
这个定律适用于所有物理系统，包括热力学系统。
在热力学系统中，能量可以以多种形式存在，如热能、动能、势能、化学能等。
热力学第一定律表明，系统中的能量总量等于输入和输出的能量之和，即能量守恒。
因此，热力学第一定律可以用来描述热能的转移和转化。
例如，在一个封闭的容器中，当热源向其中输入热量时，其内部的能量总量增加，而当它向外界释放热量时，其内部的能量总量减少。
这个过程中，能量的总量始终保持不变。
总之，能量守恒定律是热力学中最基本的定律之一，它揭示了能量在物理系统中的本质和特性，具有重要的理论和实际意义。
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热力学第一定律
热力学第一定律热力学第一定律专业：[应用化学]学生姓名：[孟辉辉]学号：[21207110]摘要：热力学第一定律即能量守恒及转换定律，在热学中占有重要的地位，广泛地应用于学科的各个领域，和热力学第二定律一起构成了热力学的基础，因此，深刻地理解和掌掘该定律显得尤为重要，本文阐述了其产生的历史背景，具体内容及其应用等。
关键词：热力学第一定律历史背景内容应用一、历史渊源与科学背景人类使用热能为自己服务有着悠久的历史, 火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端, 是人类文明进步的里程碑。
人类在古代就对火热的本性进行了探讨，但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。
18世纪中期, 苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。
这种理论认为, 热是由一种特殊的没有重量的流体物质, 即热质热素所组成, 并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象, 因而这种学说为当时一些著名科学家所接受, 成为十八世纪热力学占统治地位的理论。
然而1798年和1799年, 伦福德和戴维先后以金属钻屑实验和两块冰在真空容器中摩擦融化的实例对热质说进行反驳, 无可争辩的事实, 迫使人们去寻找更新的理论。
十九世纪以来, 热之唯动说渐渐地为更多的人们所注意。
特别是英国化学家和物理学家克鲁克斯所做的风车叶轮旋转实验, 证明了热的本质就是分子无规则运动的结论。
热动说较好地解释了热质说无法解释的现象, 如摩擦生热等。
使人们对热的本质的认识大大地进了一步。
二、相关学科的支持与准备在热力学第一定律形成之前, 自然科学的发展在很多方面为能量守恒和转化定律奠定了基础, 在不同的方面为定律的建立作好了前期的准备, 主要体现在以下几个方面：1、物理学方面机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的特殊情况, 早在力学形成之初便有了能量守恒的萌芽,十七世纪已构成了明确的运动不灭思想, 几百年来,永动机未能造成的事实, 也从反面提供了能量守恒的例证。
热力学第一定律与内能
热力学第一定律与内能热力学是研究能量转化和守恒的物理学分支。
作为热力学的基本原理，热力学第一定律与内能密不可分。
本文将探讨热力学第一定律与内能的关系及其在能量转化中的应用。
一、热力学第一定律的概念与原理热力学第一定律又称能量守恒定律，是指在系统内部能量转化过程中，能量的增加或减少等于系统对外界做功加上或减去系统所吸收或放出的热量。
热力学第一定律可以用公式表示为：ΔU = Q - W其中，ΔU代表系统内能的变化量，Q代表系统所吸收或放出的热量，W代表系统对外界做的功。
二、内能的定义与内能变化内能是指系统的微观粒子的能量之和，包括粒子的动能和势能。
内能的变化可以通过系统吸收或放出的热量和对外界做的功来描述。
根据热力学第一定律的表达式，内能的变化可以表示为：ΔU = Q - W当系统吸热时，Q为正值，表示系统从外界吸收热量，增加内能；当系统放热时，Q为负值，表示系统向外界释放热量，减少内能。
对于做功过程，当系统对外界做功时，W为正值，表示系统做功减少内能；当外界对系统做功时，W为负值，表示系统对外界做功增加内能。
三、热力学第一定律与能量转化的应用热力学第一定律与内能密切相关，广泛应用于各个领域的能量转化过程中。
以下是一些常见的应用场景。
1. 热机热力学第一定律在热机中有重要应用。
热机是指通过吸收热量将热能转化为机械能的装置。
根据热力学第一定律，热机的效率可以表示为：η = W/Qh其中，η表示热机的效率，W为热机对外界做的功，Qh为热机从高温热源吸收的热量。
热机的效率随热量转化的方式、工作温度等因素而变化，热力学第一定律为热机的设计和优化提供了理论基础。
2. 化学反应热力学第一定律也适用于化学反应的能量变化。
化学反应通常伴随着热量的吸收或放出，根据热力学第一定律的原理，化学反应的热效应可以通过内能变化来表示。
例如，当化学反应放出热量时，反应物的内能减少，产物的内能增加；当化学反应吸收热量时，反应物的内能增加，产物的内能减少。
热力学第一定律
热力学第一定律热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，也被称为能量守恒定律。
它描述了能量在物质系统中的转化和守恒关系。
在本文中，我们将深入探讨热力学第一定律的原理和应用。
1. 热力学第一定律的原理热力学第一定律表明，一个系统的内能的增量等于吸热与做功之和。
简单来说，即能量的增加等于热量输入和功输入之和。
在一个封闭系统中，内能变化可以表示为ΔU = Q + W，其中ΔU表示内能变化量，Q表示吸热，W表示做功。
根据能量的守恒原理，一个系统的能量不会凭空消失或增加，而是转化成其他形式。
2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律在各个领域都有广泛的应用。
以下是其中一些常见的应用场景：2.1. 理想气体的过程分析在理想气体的过程分析中，热力学第一定律被广泛应用于计算气体的工作、吸热和内能变化等参数。
根据热力学第一定律的原理，我们可以通过测量系统吸热和做功的量来计算内能的变化。
2.2. 热机效率的计算热力学第一定律也可用于计算热机的效率。
根据热力学第一定律原理，热机的效率可以表示为η = 1 - Q2/Q1，其中Q1表示热机输入的热量，Q2表示热机输出的热量。
通过计算输入和输出的热量可以确定热机的效率。
2.3. 化学反应的能量变化热力学第一定律也可用于描述化学反应的能量变化。
在化学反应中，热力学第一定律可以帮助我们计算反应的吸热或放热量，从而确定反应是否放热或吸热以及能量变化的大小。
3. 热力学第一定律在能源利用中的应用能源利用是热力学第一定律的一个重要应用领域。
通过研究能源的转化过程和能量损失，我们可以更有效地利用能源资源。
3.1. 热力学循环热力学循环是将热能转化为功的过程，如蒸汽轮机和内燃机。
通过分析热力学循环中各个环节的能量转化和损失，可以优化循环系统的效率，提高能源利用率。
3.2. 可再生能源利用热力学第一定律也可以应用于可再生能源的利用。
通过分析可再生能源的收集、转化和储存过程中的能量转化和守恒关系，可以优化利用这些能源的方式，减少能量的损失和浪费。
热力学第一定律及其思考
热力学第一定律及其思考热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是热力学中最基本的原理之一、它表达了能量在物体间的转化与传递过程中的守恒关系。
热力学第一定律通过对系统的能量进行计量和分析，揭示了能量的转化过程中存在的一些基本规律和限制条件，为热力学研究奠定了基础。
ΔU=Q-W其中，ΔU代表系统内部能量的变化，Q代表系统从外界吸收的热量，W代表系统对外界做的功。
1.能量守恒：热力学第一定律表明，能量在系统内外之间的转化和传递是守恒的。
在一个封闭的系统中，能量可以从一个形式转化为另一个形式，但其总量保持不变。
例如，当一个物体吸收了一定量的热量时，它的内能会增加；而当物体对外界做功时，它的内能会减少。
这种能量的转化和变化是相互关联的，且总能量守恒。
2.能量传递与转化：热力学第一定律表明，能量由高温物体传递给低温物体的过程中，总是伴随着一定量的热量传递和对外界做的功。
热量传递是通过热传导、对流和辐射等方式进行的，而对外界做的功则是通过物体对外部施加一定力的过程实现的。
这种能量的传递和转化使得物体的内能发生变化，从而影响其宏观性质。
1.能量转化的效率：根据热力学第一定律，能量的转化总是会伴随有一些能量的损失或浪费。
例如，热机的效率就是指输入的热量与输出的功之比，而这个比值永远小于1、这表明在实际的能量转化过程中，总是会有一部分能量以热量的形式散失，无法转化为有用的功。
因此，在热力学的分析和应用中，我们需要考虑如何提高能量转化的效率，以减少能源的浪费和环境污染。
2.能量平衡与系统稳定：热力学第一定律也可以作为一个宏观系统的能量平衡方程。
通过分析能量的输入、输出和转化过程，可以评估系统的稳定性。
当能量输入和输出相等时，系统达到了平衡状态；而当能量输入和输出不平衡时，系统就会发生变化和调整，以寻求新的平衡状态。
通过理解和应用热力学第一定律，可以帮助我们研究和控制宏观系统的能量平衡，从而实现系统的稳定和优化。
3.能量与环境：能量的转化和传递过程不仅影响着物体的性质和行为，也与环境之间存在着密切的关系。
热力学第一定律论文
热力学第一定律论文摘要：热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是热力学中最基础的定律之一。
本文将深入探讨热力学第一定律的概念、原理以及与能量转化相关的应用。
首先，对热力学第一定律的提出进行回顾和介绍；其次，详细讨论能量、内能和热量的概念及其相互转化关系；最后，通过实际案例分析，探讨热力学第一定律在热机、制冷以及生物能量转化等领域的应用。
1. 引言热力学是研究能量的转化和能量转化限制规律的学科，而热力学第一定律则是描述能量守恒的基本原理。
热力学第一定律所表达的能量转化原理，不仅适用于机械系统，也适用于化学反应、生物代谢以及地球等各个领域。
理解和应用热力学第一定律的概念和原理，对于人类社会的可持续发展具有重要意义。
2. 热力学第一定律的提出与原理回顾热力学第一定律最早由德国物理学家朱尔斯·迈耶斯于1842年提出。
其原理可以用以下数学表达式表示：ΔU = Q - W其中，ΔU是系统内能的变化量，Q是系统所吸收或放出的热量，W是系统所作的功。
3. 能量与内能的概念及相互转化关系能量是热力学中最基本的物理量之一，它可以存在于各种形式，如热能、机械能、电能等。
内能则是指物体所拥有的微观粒子的动能和势能之和。
能量可以通过热交换和功交换的方式进行转化。
热力学第一定律要求系统所吸收的热量与所作的功之和等于系统内能的变化量。
4. 热力学第一定律在热机中的应用热机是能够将热能转化为其他形式能量的设备，如蒸汽机、内燃机等。
根据热力学第一定律，热机的工作必须符合能量守恒原则，即所吸收的热量减去所放出的热量等于所作的功。
通过对热机的分析，可以优化其能效，提高其工作效率。
5. 热力学第一定律在制冷中的应用制冷技术的发展与人们的日常生活和工业生产密切相关。
制冷设备，如冰箱、空调等，通过负热交换的方式将热能从低温区域转移到高温区域。
热力学第一定律在制冷领域的应用主要涉及系统所吸收和放出的热量以及所作的功的计算和优化。
6. 热力学第一定律在生物能量转化中的应用生物体对于能量的获取、转化和运用过程都受到热力学第一定律的限制。
热力学第一定律及其思考
热力学第一定律及其思考摘要：简要介绍热力学第一定律并从微观的角度来阐述热力学第一定律的意义。
关键词：热力学第一定律、内能、热量、功正文：热力学第一定律：也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。
热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。
表征热力学系统能量的是内能。
通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。
根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔE应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功W之差，即EⅡ－EⅠ＝ΔE＝Q －W或Q＝ΔE＋W这就是热力学第一定律的表达式。
如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU＝Q－A＋Z。
当然，上述ΔU、A、Q、Z均可正可负。
对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为dQ＝dE＋dW。
因E是态函数，dE 是全微分；Q、W是过程量，dQ和dW只表示微小量并非全微分，用符号d以示区别。
又因ΔE或dE只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。
热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。
这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。
显然，第一类永动机违背能量守恒定律。
从宏观上看，功和热量都是过程量，且都是内能改变的量度，它们之间的关系是能量守恒在热力学过程中的体现，我们学生比较容易接受．但一般的教材却很少从微观的角度来讨论其意义，所以本文试图从微观的角度来阐述热力学第一定律的意义。
将热力学系统看成一理想化的质点组，所谓理想化的质点组就是将分子当作一简单的质点组，于是分子的能量仅有其平动动能。
在假定系统不受外力场作用的前提下，系统与外界的相互作用只通过边界上分子间作用来进行。
设m为分子的质量，表示第i个分子相对某惯性系的速度，表示其位移，内外、分别表示该分子受系统和系统内其它分子的作用力。
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热力学第一定律及其思考指导老师：***姓名：***学号：************院系：化学与环境工程班级：化学工程与工艺1班摘要：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。
本文回顾了其建立的背景及经过，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。
关键字：热力学第一定律；内能定理；焦耳定律；热机；热机效率引言在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、及生活中的应用——热机，进行简单展开。
1．热力学第一定律的产生1.1历史渊源与科学背景人类使用热能为自己服务有着悠久的历史,火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。
中国古代就对火热的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”——金、木、水、火、土,就把火热看成是构成宇宙万物的五种元素之一。
北宋时刘昼更明确指出“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火。
”古希腊米利都学派的那拉克西曼德（Anaximander,约公元前611—547) 把火看成是与土、水、气并列的一种原素,它们都是由某种原始物质形成的世界四大主要元素。
恩培多克勒（Empedocles,约公元前500—430）更明确提出四元素学说,认为万物都是水、火、土、气四元素在不同数量上不同比例的配合,与我国的五行说十分相似。
但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。
18世纪中期,苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。
这种理论认为,热是由一种特殊的没有重量的流体物质,即热质（热素）所组成,并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象,因而这种学说为当时一些著名科学家所接受,成为十八世纪热力学占统治地位的理论。
十九世纪以来热之唯动说渐渐地为更多的人们所注意。
特别是英国化学家和物理学家克鲁克斯（M.Crookes，1832—1919）,所做的风车叶轮旋转实验,证明了热的本质就是分子无规则动的结论。
热动说较好地解释了热质说无法解释的现象,如摩擦生热等。
使人们对热的本质的认识大大地进了一步。
戴维以冰块摩擦生热融化为例而写成的名为《论热、光及光的复合》的论文,为热功相当提供了有相当说服力的实例,激励着更多的人去探讨这一问题。
1.2热力学第一定律的建立过程在18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。
于是，热力学应运而生。
1798年，汤普生通过实验否定了热质的存在。
德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。
焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。
德国物理学家、医生迈尔：德国物理学家、医生迈尔（JuliuRobert Mayer，1814～1878）1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。
他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。
他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。
他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。
迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。
1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。
迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。
但1842年发表的这篇科学杰作当时未受到重视。
1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》论文，强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。
焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。
他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。
他自己1878年与1849年的测验结果相同。
后来公认值是427千克重·米每千卡。
这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。
他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。
1847年，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。
能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。
将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律[1]。
2.热力学第一定律的表述2.1热力学第一定律的文字表述自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量保持不变。
该定律就称为热力学第一定律，也称为能量转换与守恒定律，这一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外做功的机械）是不能制作出来的[2]。
2.2数学表达式2.2.1内能定理将能量守恒与转换定律应用于热效应就是热力学第一定律，但是能量守恒与转化定律仅是一种思想，它的发展应借助于数学。
马克思讲过，一门科学只有达到了能成功地运用数学时，才算真正发展了。
另外，数学还可给人以公理化方法，即选用少数概念和不证自明的命题作为公理，以此为出发点，层层推论，建成一个严密的体系。
热力学也理应这样的发展起来。
所以下一步应该建立热力学第一定律的数学表达式。
第一定律描述功与热量之间的相互转化，功和热量都不是系统状态的函数，我们应该找到一个量纲也是能量的，与系统状态有关的函数（即态函数），把它与功和热量联系起来，由此说明功和热量转换的结果其总能量还是守恒的。
在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使系统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。
系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。
而在热学中，煤质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部。
内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。
内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。
内能与系统状态之间有一一对应的关系。
内能定理从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统做功，内能也增加。
若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加应等于这两者之和。
为了证明内能是态函数，也为了能对内能做出定量的定义，先考虑一种较为简单的情况——绝热过程，即系统既不吸热也不放热的过程。
焦耳做了各种绝热过程的实验，其结果是：一切绝热过程中使水升高相同的温度所需要做的功都是相等的。
这一实验事实说明，系统在从同一初态变为同一末态的绝热过程中，外界对系统做的功是一个恒量，这个恒量就被定义为内能的改变量，即绝热W U U =-12（内能定理）因为绝热W 仅与初态、末态有关，而与中间经历的是怎样的绝热过程无关，故内能是态函数[3]。
2.2.2热力学第一定律的数学表达式若将绝热W U U =-12推广为非绝热过程，系统内能增加还可来源于从外界吸热Q ，则W Q U U +=-12（热力学第一定律一般表达式）这就是热力学第一定律的数学表达式。
前面已讲到，功和热量都与所经历的过程有关，它们不是态函数，但二者之和却成了仅与初末状态有关、而与过程无关的内能改变量了[4]。
3.热力学第一定律的应用3.1焦耳实验理想气体的内能仅是温度的函数, 即()U U T = (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1T U VU V T V T U ∂∂∂⎛⎫⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 可以得到,m p T UU T C V U ∂∂⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ (2) 其中U ,V 和,m v C ,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,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0TU V ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭ 即焦耳实验的结果表明气体的内能仅是温度的函数[5]。
3.2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[6]。
3.2.1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3.2.2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。