对热力学第一定律的理解

对热力学第一定律的理解

【摘要】本文主要通过举例来阐述对对热力学第一定律的理解，文中主要从什么样的功可以影响到系统（物体）的内能，耗散力所做的功是不是绝热过程中内能增量的量度，热力学第一定律与能量转化与守恒定律之间有着什么样的联系等方面来论述我们应该怎样理解热力学第二定律。

【关键字】热力学第一定律系统耗散力所做的功焦耳的实验

热力学第一定律（the first law of thermodynamics）也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。其定义为能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。热力学第一定律的基本内容是：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。通过作功和热传递，系统与外界交换能量，使内能有所变化。热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机（能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器）是不可能造成的。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。热力学第一定律的数学表达式为ΔU=W+Q，它的意义是说，系统（物体）在终态和初态的内能之差ΔU等于过程中外界对系统（物体）所做的功W与系统（物体）从外界吸收的热量Q之和。也就是说，在过程中，通过做功和热传递两种方式所传递的能量，都转化为系统（物体）的内能。定律并没有对其中的“功”作其它的说明与界定，那么，什么样的功可以影响到系统（物体）的内能呢？我们该如何理解这个定律呢？

根据做功与路径的关系，力可分为保守力和非保守力，滑动摩擦力和流体中的粘滞力所做的功，虽然也与路径有关，但它们因做负功而消耗动能，所以又叫耗散力。通常认为，定律中所指的“功”是指耗散力所做的功。耗散力所做的功就是绝热过程中内能增量的量度吗？看下面的例子：

质量为m1的足够长的木板静止在光滑的水平面上，一个质量为m2的木块，以水平速度v0滑上木板。已知木块与木板间动摩擦因数为μ，因此木板被木块带动，最后木板与木块以共同的速度运动。

在这个例子中，以木板为研究对象，外界所做的功即为滑动摩擦力做的功，由动能定理可得，摩擦力对木板做的功等于木板动能的增量，并不等于其内能的增量。单独研究木块，结论相同。以木块和木板这一系统为研究对象，外界对系统做功为零，也没有从外界吸收热量，但系统的内能却有增加。那么，应该怎样理解热力学第一定律呢？

历史上，热力学第一定律的建立与焦耳的

实验有着一定的联系。在焦耳的大量实验中，

有两个最具有代表性。一个是让重物下落带动

叶片搅拌容器中的水，引起水温上升（如右图）。

重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，

水由于摩擦而温度上升，水的内能增加。

另一个有代表性的实验，是通过电流的热效

应给水加热。正在降落的重物使磁电机发电，电流通过浸在水中的电阻丝，引起水温上升，水的内能增加。

实验表明，在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变化为状态2，所需外界做功的数量是相同的。也就是说，要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与做功的方式无关。这是在绝热过程中，“ΔU=W”的得出的主要依据。

如果系统所经历的过程不是绝热过程，则在过程中外界对系统所做的功W 自然就不等于过程前后其内能的变化ΔU，二者之差就是系统在过程中以热传递的形式从外界吸收的热量：Q=ΔU-W，上式就是热量的定义，其变形后得：ΔU=W+Q，这就是热力学第一定律的数学表达式。

由此可知，定律中的“外界对系统做的功”是基于焦耳实验的。也就是说，外界对系统做的功全部转化为了系统的内能，而没有引起系统其它形式的能的变化。又因能的转化是通过做功实现的，功是能量转化的量度，对于定律中的功W，

我们可以理解为“外界其它形式的能通过做功的方式使系统增加的内能”，而定律中的热量Q，就是“通过热传递使系统增加的内能”。

然而，外界对系统做的功，并非都要转化为系统的内能。由多个物体组成的系统，应用动能定理，可得所有外力做的功与所有内力做的功的总和，等于系统动能的增量。即：对上面的例子来说，系统外力做功为零，木块与木板的总动能的增量，就等于内力即摩擦力所做的正功和负功之和(本例中，摩擦力所做的正功与负功之和为负值，木块与木板的总动能是减少的)。根据能量转化与守恒定律可得，摩擦力做的正功与负功之和，在数值上等于系统内能的变化。那么，热力学第一定律与能量转化与守恒定律之间有着什么样的联系呢？

定律中的功的概念是广义的，它包括机械的、电的、磁的……等各种功。而每一种功都表示该种能量转化时被转化的那一部分能量的量度，每一部分能量通过做功也不一定都转化为了系统的内能。所以定律应该写成：

ΔE =W + Q

这个式子表示了外界对系统做功和系统吸收热量与系统各种能量增量的关系，所以其表达的就是能量转化与守恒定律。在实际应用中，ΔE究竟应包含哪些项目，主要决定于被研究系统的类型5。如在上面的例子中，除了考虑内能外还需考虑系统整体的动能，木块和木板组成的系统与外界没有能量转化和转移，系统增加的内能等于系统减少的动能，这是系统内部能量转化与守恒定律的体现。而在上面所述的焦耳实验中，只需考虑系统的内能就可以了，体现出的是系统与外界能量的转化与守恒。所以，可以说，热力学第一定律就是能量转化与守恒定律6，就是能量转化与守恒定律在只考虑系统内能变化时的体现。

上面的讨论好像忽略了一个根本的问题，那就是定律的研究对象问题。定律是针对热力学系统而言的。然而，什么系统才是热力学系统呢？分子动理论告诉我们，任何宏观物体都是由大量的微观粒子构成的，这些微观粒子不停地做着无规则的运动。热学所研究的具体对象就是由大量微观粒子组成的宏观系统。热学的内容便是研究热力学系统的性质、变化过程、及其与外界的相互作用。8由于热力学第一定律就是能量转化与守恒定律在只考虑系统内能变化时的体现，所以我们可以说：热力学系统指的是与外界进行能量交换时，只影响内能变化而不影响其它能量变化的系统。