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
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
中, 表达了物理 、 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 � �
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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
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