热力学第一定律和能量转化与守恒定律

内江师专学报 � 自然科学版 � 创刊号 热力学第一定律和能量转化与守恒定律 蔡 达 峰 热力学第一定律和能量转化与守恒定律的关系 , 各书的叙述不尽相 同。 有的 书�� 〕说 , “热力学第一定律就是能量转化与守恒定律 。 ” 有的书�� 〕说 , “热力学第一定律是包括热量 在 内的能量守恒和转化定律 。 ” 有的书�� 说 , “热力学第一定律是能量转化与守恒定律在热 现象领域内所具有的特殊形式 。 ” 笔者认为 , 最后一种说法更为确切 , 本文将对此作粗浅的 论证。 一 、 从能最转化与守恒定律的确立过程看热力学第一定律在能量转 化与守恒定律中的地位 十九世纪四十年代 , 在物理史和整个科学史上发生了一件非常重要的事件—确立了能量转化与守恒定律。 能量转化与守恒定律得以诞生是由研究它的一个特殊情况—机械能守恒开始的 。 伽利略 、 斯特文和惠更斯通过对力学现象的研究 , 都意识到了能量守恒原理 。 以后 , 莱布尼茨等 人的有关研究 , 直接为后人和概括能量守恒原理奠定了思想基础 。 “永动机之不可能实 现 , 是导致能量守恒原理建立的重要线索之一 。 ” �� � 接着 , 人们发现一系列自然现象之间的普遍联系 。 如热和机械运动的联系 � 化学与生物 学的联系 , 尤其是赫斯定律已经接触到化学反应过程的能量守恒原理 。 能量守恒原理的最后确立 , 主要是由迈尔 、 焦耳和赫尔姆霍茨所完成的 。 迈尔和赫尔姆霍茨在研究生理问题时得到启发 , 促使他们对无机界的功和热转变问题进 行研究。 一八四二年 , 迈尔在 《论无机界的力 》这篇论文中, 达了物理 、 化学过程中能量 守恒的思想。 一八四七年 , 赫尔姆霍茨在 《论力的守值 》一文中 , 阐述了他的能量守恒与转 化方面的基本思想。 焦耳的热功当量实验是确立能量守恒原理的实验基础 。 焦耳花了多年时间测 量 热 功 当 量 , 他测定了热与电 , 热与机械功之间的当量关系 。 他的实验 , 或直接把机械功转化为热 , 或通过电的途径转化为热 , 或通过压缩气体转化为热 。 实验不仅测出了热功 当量的数值 , 而 且通过绝热过程确定了态 函数 内能 , 否定了热质说 , 导致了热力学第一定律的建立 。 由于焦 耳实验结果具有广泛的意义 , 因而使能量守恒定律成为精确的经验定律确立下来 。 上述说明, 当时人们只着重于从量上去表述能量守恒 , 而不是从质上说明运 动 的 不 灭 性 。 恩格斯首先提出了这种表述的不完善性 。 他说� “运动的不灭不能仅仅从数 量 上 去 把 二、 从热力学研究对象看热力学第一定律和能量转化与守恒定律 热力学是研究物质世界有关热现象的规律的宏观科学 。 由于热现象是组成物质的大量拉 子集体运动的表现 。 因此 , 热力学所研究的对象是由大量粒子组成的宏观客体 , �我们称之为 热力学系统或简称系统。 正是在对这样一种系统的研究下 , 提出了 内能这个概念 。 至于内能 包括哪些能量 , 各书说法不一 , 但有一个共同点 , 即它不包括反映系统整体机械运动的机械 能刁随 , 一 原子 内的缚 � 厚子核钓娜缉等箫种包括布郎终内补电象是热现象 , 不涉及原子内�的能量 · 原子核内的能量 。 所以 , 一 笠鬓尽是原子热运动有关的能量 。 ” 〔�� 它不包括反映系统整体机械运动的机械能 , 圣牺冉笋矛括友映原子 内基本粒子运动的原子能等 。 , � 但是 , 如果我们把热力学第一定律中的内能延拓为一切形式的能量 � , 且有 � � � 二 � � � ‘ 或 � � � � � �� � � � � � � � , � 十 “ · � � 其 中� 为系统的 内能 , � 卜 � 、 �� � 、 � · � 一 分别为系统的化学能、 势能、 动能 二 � , � 为 系统的总能量 。 于是 , 就得到能量守恒与转化定律 。 〔�� 这即是上述提到的焦耳实验的广泛意义。 综上所述 , 能量转化与守恒定律是自然界的、绝对规律。 而热力学第一定律是能量转化与 守恒定律在热现象领域内所具有的特殊形式。 参 考 文· 献 � � 〕 李椿、 章立源‘钱尚武编 � 热学 》, 人民教育出版社 � ��钩 � , �以页 。 〔�� 程守沫 、 江之永编, 朱咏春等修订 《普通物理学 》� � 高等教育出版社出版 �华助 � � � �� 页 � 〔� 〕 熊吟涛等编 � 热力学 》, ‘人民教育出版社, ��� �� � � �� 页 , �� � 北京物理学会《物理学史专题讲座汇编 � � 的页� �� � 思格斯《自然辩证法》� �� 页 。 〔� 〕 《辞海》 �理科上 � � 上海辞书出版社 �� ��� � � �� �一� � �页 。 〔� 〕 �·� · � � �� � � 《� 五。� � � �扣 � � �� �》� � � � � � � � ���� 。 ��� � � � � � �一��页 。