学年论文热力学第一定律.doc

目 录

摘要······························································Ⅰ
关键词……………………………………………………………………………… Ⅰ

1热力学第一定律的发展·············································2
1.1热力学第一定律···············································2
1.2能量转化和守恒定律···········································3
1.2.1能量守恒定律的发展史·····································4
1.2.2能量守恒定律的意义·······································7
2热力学第一定律的实际应用········································ 7
2.1技术上的循环实例·············································8
2.1.1常见热机的工作原理······································8
2.1.2常见致冷机的工作原理····································8
3总结·····························································9

参考文献 ··························································9
评分表····························································10

热力学第一定律的发展及其应用
摘 要
热力学第一定律：当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的增量等于在这个过程中外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的总和。系统在任一过程中所吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界所作的功之和。能量守恒定律指出：自然界中各种不同形式的能量都能从一种形式转化为另一种形式，由一个系统传递给另一个系统，在转化和传递中总能量守恒。在能量守恒定律的建立中，德国科学家迈耶、亥姆霍兹和英国科学家焦耳作出最杰出的贡献。能量守恒定律也可以表述为第一类永动机是不可能造成的。在热动力设备中，多数是通过气体进行一系列热力学过程来实现热功转换的。

关键词
热力学第一定律、能量守恒定律、第一类永动机、热动力设备
1 热力学第一定律的发展
1.1 热力学第一定律
一般来说，自然界实际发生的热力学过程，往往同时存在两种相互作用，即系统与外界之间既通过做功交换能量，又通过传热交换能量。热力学第一定律表明：当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的增量等于在这个过程中外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的总和。或者说：系统在任一过程中所吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界所作的功之和。热力学第一定律表达了内能、热量和功三者之间的数量关系，它适用于自然界中在平衡态之间发生的任何过程。在应用时，只要求初态和终态是平衡的，至于变化过程中所经历的各个状态，则并不要求是平衡态好或无限接近于平衡态。因为内能是状态函数，内能的增量只由初态和终态唯一确定，所以不管经历怎样的过程，只要初、终两态固定，那么在这些过程中系统内能的增量、外界对系统所作的功和系统所吸收的热量的之和必定都是相同的。
1.2 能量转化和守恒定律
热力学第一定律是能量转化和守恒定律在射击热现象的过程中的具体形式。因为它所说的状态是指系统的热力学状态，它所说的能量是指系统的内能。如果考察的是所有形式的能量（机械能、内能、电磁能等），热力学第一定律就推广为能量守恒定律。这个定律指出：自然界中各种不同形式的能量都能从一种形式转化为另一种形式，由一个系统传递给另一个系统，在转化和传递中总能量守恒。
能量守恒定律是自然界中各种形态的运动相互转化时所遵从的普遍法则。自从它建立起来以后，直到今天，不但没有发现任何违反这一定律的事实，相反地，大量新的实践不断证明着这一定律的正确性，丰富着它所概括的内容。能量守恒定律的确立，是生产实践和科学实验长期发展的结果，在长期的实践中，人们很早以来就逐步形成了这样一个概念，即自然界的一切物质在运动和变化的过程中，存在着某种物理量，它在数量上始终保持恒定。能量守恒定律的实质，不仅在于说明了物质运动在量上的守恒，更重要的还在于它揭示了运动从一种形态向另一形态的质的转化，所以，只有当各种运动形式之间的相互转化，特别是机械运动和热运动之间的相互转化明确而广泛地被揭示出来时，能量守恒定律才会最终地被确立起来。
1.2.1 能量守恒定律的发展史
17世纪末叶以来，蒸汽动力的应用引起了广泛的重视。特别是18世纪后半叶，瓦特对蒸汽机进行了重大改进，使蒸汽机在纺织业和交通运输业上有了广泛的应用，这就促使人们去深入探讨机械运动和热运动之间的相互转化，在其他领域中，各种运动形式之间的相互转化，也相继被发现。如伏打化学电池的发明（1800），点解定律的发现（1834），电流的磁效应（1820）和电磁感应现象（1831）的发现，热电堆的制造（1822），电流热效应定律的确立（1840）等，都使各种运动形式之间相互联系和转化的辩证关系被充分地揭示出来。正是在这种历史条件下，19世纪40年代，科学家们通过不同的途径确立了能量守恒定律。
寻找运动中的守恒量或不变量是物理学中一种很有用的方法。因为不变量往往能更好地标志运动的特征，描述运动的传递或转化，具有更大的适用范围。在力学中我们已经认识到动量、动量矩、机械能这些守恒量在描述和研究机械运动中的重要意义，那么，能量就是比这些守恒量的意义更重要、更深刻、更广泛得多的守恒量。
任何一种现象、规律、定律的发现都是前人们经过不懈的努力探索而得出的，热力学第一定律的发现也是如此。在能量守恒定律的建立中，德国科学家迈耶、亥姆霍兹和英国科学家焦耳作出最杰出的贡献。
迈耶是一位青年医生，曾随一艘荷兰般只到东印度做考察。在给生病的船员放血时他发现，生活在热带地区的人的静脉血不像温带地区的人的静脉血那样颜色发暗，而像动脉血一样鲜红。在拉瓦锡燃烧理论的启示下，他想到这是因为在热带高温的情况下，人体只需吸收食物中较少的热量，这使人体中食物的氧化过程减弱，因而在静脉血中留下了较多的氧所致，这个现象促使迈耶去深入思考各种自然力之间的相互转化。在1842年发表的论文《论无机界的力》中，迈耶从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的哲学观念出发，得出了“力就是不灭的、能够转化的、无重量的客体”的结论。他所说的“力”就是“能量”。他把这个思想运用到“下落力”（重力势能）、运动的“力”（动能）和热的转化，具体论证了力（能）的转化和守恒，并根据当时气体比热的测定数据，第一个给出了热功当量的数值。在后来发表的几篇论文中，他进一步把这个原理推广到“电”、“化学力乃至生命现象中。”
亥姆霍兹在上大学时期就认识到当时流行的关于生物机体存在着一种“内在的生命或活力”的学说实际上是赋予了生物体以永动机的性质。在1847年出版的《论力的守恒》一书中，他从永动机之不可能以及“自然界中一的切都可以归结为其强度仅决定于相互作用的质点间的距离的引力和斥力”两个原理出发，证明了在具有保守性的中心力的作用下系统所具有的“活力和张力的总和是守恒的”。他所说的“活力”是指动能，“张力”是指势能。亥姆霍兹具体探讨这一原理在各种力学、物理学、化学过程以及生物机体现象中的体现，证明了“这一定律与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾”；他确信“这个定律的完全证实，将是不远的未来物理学家们的基本任务之一”。
焦耳从1840年到1878年前后用了近40年的时间，采用不同的方法做了四百多次实验，其中包括伏打电流的热效应，磁电机感应电流的热效应，空气在压缩和膨胀时产生的热量变化，水通过多孔塞后的升温现象以及铜制翼轮搅动水、鲸脑油和水银升热的实验，越来越精确地测定了热功当量的数据，为能量守恒原理的确立提供了坚实的实验根据。
此外，英国律师格罗夫、丹麦工程师柯尔丁、以及法国的塞贯、赫恩、德国的霍尔兹曼等都从不同途径进行了热功当量的计算，彼此独立地提出了能量守恒原理。
特别值得提出的是，法国工程师卡诺早在1830年就已经认识到了“热不是什么别的东西，而是动力，或者可以说，它是改变了形式的运动”，并由此得到了一个普遍的命题：“自然界中存在的动力，在量上不变的，准确地说，它既不能产生，也不能消灭”。他还给出了热功当量的数值：370千克/千卡。卡诺因1832年死于霍乱，未来得及发表他的上述发现。
1.2.2 能量守恒定律的意义
能量守恒定律的发现具有重大的实践意义和理论意义。历史上，人们曾幻想制造这样一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功。这种机器称为第一类永动机。能量守恒定律的确立，对于制造永动机之不可能实现，给予了科学上的最后判决，使人们走出了幻想的境界，进一步去探讨实现各种能量形式相互转化的具体条件，以求最有效地利用自然界所能提供的各种各样的能源。能量守恒定律也可以表述为第一类永动机是不可能造成的。
能量守恒定律的发现为物理学理论的发展提供了一个有力的支柱，使经典物理学从经验科学发展成完整的理论科学。在哲学上，这个定律的发现，为辩证唯物主义自然观提供了一个牢固的自然科学基础，它揭示了自然界各种不同的运动形式不是子相互孤立的、毫无联系的，他们在一定条件下可以发生相互转化，并且在数量上保持守恒。因此，能量守恒定律有力地论证了物质运动的不灭性和统一性。
2热力学第一定律的实际应用
2.1技术上的循环实例
在热动力设备中，多数是通过气体进行一系列热力学过程来实现热功转换的。例如生活中常见的内燃机，它们是利用工作物质作正循环的热力学过程，而利用逆循环则可制成致冷机，常见的有家用电冰箱、空调机。
2.1.1常见热机的工作原理
1. 汽油内燃机： 定体加热循环——奥托循环，四个冲程依次为吸气冲程、压缩冲程、动力冲程、排气冲程。
2. 柴油内燃机： 定压加热循环——狄塞尔循环，四个冲程依次为吸气冲程、压缩冲程、动力冲程、排气冲程。与汽油机不同的是它吸入的不是混合气而是空气，燃料的燃烧也不是靠电火花点燃而是压燃。
2.1.2常见致冷机的工作原理
1. 电冰箱： 一般的家用电冰箱是利用氨蒸汽压缩制冷装置的制冷原理。工质氨在标准大气压下的沸点为-33.35℃,在室温下为蒸汽状态，但加压即可使之液化。电动机带动的压缩机将氨蒸汽压缩到压强为9.09×105Pa,温度达到70℃。氨蒸汽经冷凝器散热冷却到20℃并凝结为液态氨。然后经膨胀阀压强降到约3.03×105Pa而进入位于冷冻室内的蒸发器，在蒸发器中液氨沸腾，从冷冻室中吸收汽化热而全部变为-10℃的气体，使冷冻室内的温度降至-5℃，氨蒸汽本身再进入压缩机重新进行下一循环。在这一循环过程中，伴随着外界作功，工质氨从低温物体吸收热量传给高温物体，达到使低温物体更加冷却的目的。
2. 空调机： 空调机的循环与电冰箱相同，一般也采用蒸汽压缩制冷，不同的是它可以通过一个电磁换向阀使制冷剂（工质）改变流向。在夏季，使被压缩后高温高压蒸汽先通过室外换热器经凝结而向室外空气（高温热源）散热，然后变成低压液体通过室内换热器经蒸发而从室内空气（低温热源）吸热，把空调设备用作制冷机，是室内降温；冬季，使被压缩的蒸汽先通过室内换热器凝结而向室内空气（高温热源）放热，然后变成低压液体通过室外换热器经蒸发而室外空气（低温热源）吸热，把设备用作热泵，给室内供热。
3.总结
通过对这一知识点的进一步认真学习，我对热力学第一定律的理解更加深刻了：热力学第一定律就是热力学发展中的一块基石，一个引航标，任何现象任何技术的运用都不能违背这一原则。也正是因为如此，人类的技术发展才得以发展迅速，制造出各种机械，不管是热机还是致冷机，它们为人们的生活提供了各种方便，这便是理论与实践的最直接的联系。相信未来的发展会有更多技术上的更新，更加便捷实用，为人类的生活提供更多的便利。

参考文献
[1] 黄淑清、聂宜如、申先甲编《热学教程》，高等教育出版社，1994.
[2] 李椿、黄立源、钱尚武编《热学》，人民教育出版社，1979.
[3] R·瑞克尼斯和D·哈立德著，郑永令等译，《物理学》第一卷，第一册，科学出版社，1980.
[4] 王竹溪著《热力学教程》，人民教育出版社，1979.
怀化学院学年论文评分表
学年论文题目：热力学第一定律的发展及其应用
姓名
马丝丝
学号
0910407042
系别
物理与信息工程系
专业
物理学
评价指标
指标内涵
分值
评分
选题质量
目标要求
符合专业培养目标，体现综合训练基本要求
20

选题难度
选题难易度适宜，体现教学计划对本科教学环节所规定的要求
工 作 量
论文安排科学、合理，与学校计划安排规定的完成时间吻合
综合实际
有较高的理论价值或实际价值
能力水平
查阅文献
能运用多种手段查阅有关文献资料，有一定的广度
30

综合运用知 识
综合运用知识能力强，能较系统地运用相关理论与知识解决实际问题
方案设计
研究方案设计科学、合理，能较好体现专业培养目标
方法手段
研究方法先进，研究手段多样，有创新
外文应用
外语翻译和英文摘要翻译准确，质量好
论文撰写质量与成果
论文结构
文本结构、格式规范，论文要涵盖标题、摘要（中英文）、关键词（中英文）、正文、参考文献
50

文题相符
论文能紧扣主题，主题鲜明，观点正确，重点突出
写作水平
论文结构严谨，层次清晰，结论正确，技术用语准确；行文流畅，语句通顺
写作规范
写作符合《怀化学院毕业论文（设计）撰写规范》
篇 幅
篇幅＞4000字
成果质量
对相关理论或实际问题有较深刻的认识，有新的见解，有一定的创新
总 分

指导老师评阅意见

指导教师签名：
评阅时间： 年 月 日
注：此表与学生学年论文一并交系部教学秘书处存档
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