熱力學第一定律--論文

1、熱力學第一定律的應用 艾泉（學號：20131103726）（物理與電子信息學院13級物理學漢班，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）指導教師：周炳卿摘要：熱力學第一定律亦即能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，廣泛地應用于各個學科領域。本文講述了它的準確的文字表述和數(shù)學表達式，及它在理想氣體、熱機的應用。熱力學第一定律：當熱力學系統(tǒng)由某一狀態(tài)經(jīng)過任意過程到達另一狀態(tài)時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于在這個過程中外界對系統(tǒng)所作的功和系統(tǒng)所吸收的熱量的總和。系統(tǒng)在任一過程中所吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對外界所作的功之和。關鍵字：熱力學第一定律； 焦耳定律； 熱機； 熱機效率Abstract: Thermodynamic f

2、irst law namely, energy conversion and conservation laws and widely application in various fields. This paper describes the exact wording and mathematical expressions and it in an ideal gas, the application of heat engine. The first law of Thermodynamics: when thermodynamic system by a state through

3、 the course of the arbitrary arrived in another state, system of internal energy increment equal to the sum of the heat absorbed in this process in the outside of the system function and system. System in any process to absorb heat is equal to the internal energy of the system and the increment of t

4、he system to external power and.Key words: the first law of thermodynamics; Joules law; engine; thermal efficiency.1引言在19世紀早期，不少人沉迷于一種神秘機械第一類永動機的制造，因為這種設想中的機械只需要一個初始的力量就可使其運轉(zhuǎn)起來，之后不再需要任何動力和燃料，卻能自動不斷地做功。在熱力學第一定律提出之前，人們一直圍繞著制造永動機的可能性問題展開激烈的討論。直至熱力學第一定律發(fā)現(xiàn)后，第一類永動機的神話才不攻自破。本文就這一偉大的應用于生產(chǎn)生活多方面的定律的建立過程、具體表述、

5、及生活中的應用熱機，進行簡單展開。2 熱力學第一定律的應用2.1 焦耳實驗理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù), 即 (1)這一規(guī)律稱為焦耳定律，是一個很重要的定律, 它是理想氣體宏觀定義的兩個條件之一。從微觀角度很容易理解, 因為理想氣體忽略分子間的作用力, 不考慮分子問的相互作用勢能。在宏觀理論中, 一般是通過介紹焦耳實驗得到焦耳定律的。取1摩爾氣體, 由熱力學關系式 (2)可以得到 (3) 其中,和,分別為氣休的摩爾內(nèi)能、摩爾體積和定容摩爾熱容量,T為氣休的熱力學溫度,為了測定氣體的內(nèi)能對體積的依賴關系, 焦耳曾于1845年做了如圖所示的氣體自由膨脹實驗,容器A中充滿被壓縮的氣體,容器B為真空,

6、A、B相聯(lián)處用一活門C隔開, 整個裝置放入量熱器的水中。當活門C打開后, 氣體將自由膨脹充滿整個容器。這就是著名的焦耳實驗。焦耳測量了氣體膨脹前后水的平衡溫度,發(fā)現(xiàn)水的平衡溫度沒有改變。這一結(jié)果說明兩點, 第一：氣體在膨脹過程中與水沒有熱量交換, 因而氣體進行的是絕熱自由膨脹過程；第二：膨脹前后氣體的溫度沒有改變。 由第一點,根據(jù)熱力學第一定律可知。氣體的絕熱自由膨脹是一個等內(nèi)能過程,由第二點再根據(jù)（2）式,有 (4)即焦耳實驗的結(jié)果表明氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)1。2.2 熱機及其效率 18世紀第一臺蒸汽機問世后,經(jīng)過許多人的改進,特別是紐科門和瓦特的工作,使蒸汽機成為普遍適用于工業(yè)的萬能原動

7、機,但其效率卻一直很低,只有3%5%左右,95%以上的熱量都未被利用。其他熱機的效率也普遍不高,譬如:液體燃料火箭效率48%,柴油機效率37%,汽油機效率25%等等。人們一直在為提高熱機的效率而努力,在摸索中對蒸汽機等熱機的結(jié)構(gòu)不斷進行各種嘗試和改進,盡量減少漏氣、散熱和摩擦等因素的影響,但熱機效率的提高依舊很微弱。這就不由得讓人們產(chǎn)生疑問:提高熱機效率的關鍵是什么?熱機效率的提高有沒有一個限度?1824年法國青年工程師卡諾分析了各種熱機的設計方案和基本結(jié)構(gòu),根據(jù)熱機的基本工作過程,研究了一種理想熱機的效率,這種熱機確定了我們能將吸收的熱量最大限度地用來對外做有用功(此即著名的卡諾定理),且該

8、熱機效率與工作物質(zhì)無關,僅與熱源溫度有關,從而為熱機的研究工作確定了一個正確的目標2。2.2.1 熱機熱機是指把持續(xù)將熱轉(zhuǎn)化為功的機械裝置,熱機中應用最為廣泛的是蒸汽機。一個熱機至少應包含以下三個組成部分:循環(huán)工作物質(zhì);兩個或兩個以上的溫度不同的熱源,使工作物質(zhì)從高溫熱源吸熱,向低溫熱源放熱;對外做功的機置。熱機的簡化工作原理圖如圖1所示。圖1 熱機簡化原理圖2.2.2 熱機循環(huán)工作物質(zhì)從高溫熱源吸熱所增加的內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為對外做的有用功,還需對外放出一部分熱量,這是由循環(huán)過程的特點決定的。所謂循環(huán)過程,是指系統(tǒng)(即工作物質(zhì))從初態(tài)出發(fā),經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài),最后回到原來狀態(tài)的過程。一個循環(huán)

9、過程在P-V圖上即為一條閉合的循環(huán)曲線,在循環(huán)過程中熱機所做的凈功就是指P-V圖上循環(huán)曲線所圍的面積,如圖2中陰影部分面積所示。圖2 熱機循環(huán)對于在P-V圖上順時針變化的循環(huán),系統(tǒng)從較高溫度的熱源吸熱,向較低溫度的熱源放熱,在整個循環(huán)過程中,系統(tǒng)對外界做出凈功,即為熱機。而對于逆時針變化的循環(huán),系統(tǒng)從溫度較低的熱源吸熱,向溫度較高的熱源放熱,在整個循環(huán)過程中,外界對系統(tǒng)做凈功,即為制冷機或熱泵。綜上可見,在P-V圖上順時針循環(huán)為熱機,逆時針循環(huán)為制冷機。2.2.2 熱機效率僅與兩個熱源接觸情形對于一個熱機,由熱力學第二定律知:不可能從單一熱源吸熱,不需對外放熱,而使之全部變成有用功而不產(chǎn)生其他

10、影響。由此可知,熱機不可能將從高溫熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功,即熱機效率不能達到100%,這樣,人們就必然會關心燃料燃燒所產(chǎn)生的熱中,或熱機從高溫熱源吸收的熱量中,有多少能量轉(zhuǎn)化為有用功的問題,即熱機的效率問題。設熱機效率用表示，、分別表示熱機循環(huán)中高溫所熱源放出的熱量及低溫熱源所吸收的熱量,W表示熱機對外做的功,則有: （5）對于整個循環(huán)中，系統(tǒng)回到原狀態(tài)，知 由熱力學第一定律 （6）得： (7) 將（7）代入（5）得： （8）3 總結(jié) 本文回顧了熱力學第一定律建立的背景及過程，其中著重指出了三位科學家邁爾、焦耳、在定律建立中所起的決定性的作用，而后，向讀者闡述了熱力學第一定律的文字表述及數(shù)學表達式，接著，列舉了幾個熱力學第一定律的應用。熱力學第一定律不僅僅是熱學中的重要定