初探热力学第一定律及其应用.doc

石河子大学师范学院物理系2007级
初探热力学第一定律的建立过程及其意义
The process and meaning of visiting thermodynamics' the first law in the first time

高剑
学号：2007010174
2009-5-5

初探热力学第一定律的建立过程及其意义
The process and meaning of visiting thermodynamics' the first law in the first time
摘要：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是著名的能量守恒定律，即热力学第一定律。热力学第一定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。那它是怎样产生的呢？
Summary: Energy will neither emerge nor disappear without foundation, it will turn form a kind of form into other forms or shift from an object to other objects.In these changing and shifting courses,it measure will be fixed.This is a famous law of keeping these perseverance in energy, In an other word,it is the thermodynamics’the first law.The law is a strong weapon that let people recognize and utilize the nature. But how does it come into being?
关键词：热力学第一定律、历史背景、动因、历史作用、意义
Key：The law of keeping the perseverance in energy , history and background, power factor, historical function , meaning.
热力学第一定律的建立经过了漫长的过程，它是建立在前人大量的成果之上的：
17世纪末，惠更斯（ChristiaanHuygens,1629～1695）提出了解决碰撞问题的一个法则—“活力”守恒原理，他成为了能量守恒的先驱。
1783年，瓦特（James Watt，1736～1819）为了确定它的蒸汽机的性能，提出“马力”这个概念。
1802年，特里维西克（Richard Trevithick,1771～1833）制成“高压蒸汽机”。
19世纪20年代初，卡诺（Sadi Carnot, 1796～1832）深入研究蒸汽机原理，从“热素说”的观念探讨热与热机做功和热效率。1834年，克拉佩隆运用彭西列提出的功概念表示卡诺所说的动力，把卡诺的理想热机可逆循环过程中热与功的关系，绘成两个绝热过程和两个定温过程形成的封闭热功可逆循环曲线，即后来所说的示功图，因而形成理想热机的热功可逆循环。
1842年，迈尔在发表的第一篇论文中提到计算热功当量的原理和结果。
1843年，焦耳宣读第一次发表热功当量实验结果的论文。
热力学第一定律的发现，是在当时工程技术的迫切需要下出现的。在1798—1849年间“热动说”取代了“热素说”和热功当量的发现与精确确定的基础上，由于研究热机原理和能量转化守恒关系的迫切需要，在理论和实践条件基本成熟后，应运而生。
围绕热力学第一定律历史上曾经出现过两次争论。第一次争论，是镭放射的巨大能量的来源和如何解释的问题。彭加勒在1906年发表的《科学的价值》一书中，提出镭放射的能量“推翻了热力学第一定律”和发现电子的静质量为0“推翻了质量守恒定律”，因而使19世纪末的物理学遇到了严重的危机。在维护能量守恒原理的科学家之中，又分为两种。一种认为放射性的巨大能量是放射性物质从外部空间中的以太、气体或其他射线中长期吸收和积聚起自己的能量。开尔文在1903年就提出镭的放射性能量来自于其原子长期吸收空间的以太形成的，并在1904年召开的大英科学促进会上与瑞利打赌。也有科学家主张热力学第一定律在放射性过程中仍然正确，并从原子内部自发分裂方面寻找辐射的根源。
第二次争论,是B衰变过程中能量是否守恒问题。由于问题的实质关系到热力学第一定律在核物理中是否适用的原则问题，并且又是由玻尔这样的物理权威提出和由鲍利加以反对，自然引起物理学家的极大关注。
关于热力学第一定律的争论，尽管学术界出现过这样或那样的看法和评价，但是应该说它们都从正反两个方面使科学家和哲学家得到很深的教益。其共同的结果是证明了热力学第一定律在微观和宏观世界两方面都是正确的。已成为自然科学和自然哲学上的一个牢固的基石。
能量守恒和转化定律的发现，是和一个“疯子”医生联系起来的。这个被称为“疯子”的医生名叫迈尔（1814～1878），德国汉堡人，1840年开始在汉堡独立行医。他对万事总要问个为什么，而且必亲自观察，研究，实验。1840年2月22日，他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚。一日，船队在加尔各达登陆，船员因水土不服都生起病来，于是迈尔依老办法给船员们放血治疗。在德国，医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针，就会放出一股黑红的血来，可是在这里，从静脉里流出的仍然是鲜红的血。于是，迈尔开始思考：人的血液所以是红的是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧了，所以静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？顶多500克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温。那体温是靠全身血肉维持的了，而这又靠人吃的食物而来，不论吃肉吃菜，都一定是由植物而来，植物是靠太阳的光热而生长的。太阳的光热呢？太阳如果是一块煤，那么它能烧4600年，这当然不可能，那一定是别的原因了，是我们未知的能量了。他大胆地推出，太阳中心约2750万度（现在我们知道是1500万度）。迈尔越想越多，最后归结到一点：能量如何转化（转移）？
他一回到汉堡就写了一篇《论无机界的力》，并用自己的方法测得热功当量为365千克米/千卡。他将论文投到《物理年鉴》，却得不到发表，只好发表在一本名不见经传的医学杂志上。他到处演说：“你们看，太阳挥洒着光与热，地球上的植物吸收了它们，并生出化学物质……”可是即使物理学家们也无法相信他的话，很不尊敬地称他为“疯子”，而迈尔的家人也怀疑他疯了，竟要请医生来医治他。他因不被人理解，终于跳楼自杀了。
和迈尔同时期研究能量守恒的还有一个英国人——焦耳（1818~1889），他自幼在道尔顿门下学习化学、数学、物理，他一边经营父亲留下的啤酒厂，一边搞科学研究。1840年，他发现将通电的金属丝放入水中，水会发热，通过精密的测试，他发现：通电导体所产生的热量与电流强度的平方，导体的电阻和通电时间成正比。这就是焦耳定律。1841年10月，他的论文在《哲学杂志》上刊出。随后，他又发现无论化学能，电能所产生的热都相当于一定功，即460千克米/千卡。1845年，他带上自己的实验仪器及报告，参加在剑桥举行的学术会议。他当场做完实验，并宣布：自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力（能），总得到相当的热。可台下那些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头，连法拉第也说：“这不太可能吧。”更有一个叫威廉·汤姆孙（1824~1907）的数学教授，他8岁随父亲去大学听课，10岁正式考入该大学，乃是一位奇才，而今天听到一个啤酒匠在这里乱嚷一些奇怪的理论，就非常不礼貌地当场退出会场。
焦耳不把人们的不理解放在心上，他回家继续做着实验，这样一直做了40年，他把热功当量精确到了423.9千克米/千卡。1847年，他带着自己新设计的实验又来到英国科学协会的会议现场。在他极力恳求下，会议主席才给他很少的时间让他只做实验，不做报告。焦耳一边当众演示他的新实验，一边解释：“你们看，机械能是可以定量地转化为热的，反之一千卡的热也可以转化为423.9千克米的功……”突然，台下有人大叫道：“胡说，热是一种物质，是热素，他与功毫无关系”这人正是汤姆孙。焦耳冷静地回答到：“热不能做功，那蒸汽机的活塞为什么会动？能量要是不守恒，永动机为什么总也造不成？”焦耳平淡的几句话顿时使全场鸦雀无声。台下的教授们不由得认真思考起来，有的对焦耳的仪器左看右看，有的就开始争论起来。
汤姆孙碰了钉子后，也开始思考，他自己开始做试验，找资料，没想到竟发现了迈尔几年前发表的那篇文章，其思想与焦耳的完全一致！他带上自己的试验成果和迈尔的论文去找焦耳，他抱定负荆请罪的决心，要请焦耳共同探讨这个发现。
在啤酒厂里汤姆孙见到了焦耳，看着焦耳的试验室里各种自制的仪器，他深深为焦耳的坚韧不拔而感动。汤姆孙拿出迈尔的论文，说道：“焦耳先生，看来您是对的，我今天是专程来认错的。您看，我是看了这篇论文后，才感到您是对的。”焦耳看到论文，脸上顿时喜色全失：“汤姆孙教授，可惜您再也不能和他讨论问题了。这样一个天才因为不被人理解，已经跳楼自杀了，虽然没摔死，但已经神经错乱了。”
汤姆孙低下头，半天无语。一会儿，他抬起头，说道：“真的对不起，我这才知道我的罪过。过去，我们这些人给了您多大的压力呀。请您原谅，一个科学家在新观点面前有时也会表现得很无知的。”一切都变得光明了，两人并肩而坐，开始研究起实验来。
1853年，两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述。
以上表明，热力学第一定律的建立，既是时代的要求，也是自然科学本身发展到一定阶段的必然结果，当然，这也是一大批科学家长时间地、艰苦地进行创造性劳动的结晶。

参考文献：
[1] 王长荣.热力学第一定律的建立及其伟大历史作用[J]. 现代物理知识,2001,[4]
[2] 于芳.有关热力学第一定律的几个问题. 大学物理,1998[9]
[3] 刘荣万.热力学第一定律的普遍表述. 韶关学院学报,1987[2]
[4] 罗聚源. 谈谈热力学第一定律. 物理教师,1984[6]