1、 探究熱力學第一定律及其應用摘要：熱力學第一定律即為能量守恒定律，在各個學科各個領域中得到了廣泛的應用，熱力學第一定律的發展和應用極大的改變了我們的生活。關鍵字：熱力學第一定律 熱機 能量守恒 卡諾循環引言：曾經有人想著制造一種機器，只需提供初始能量使其運動起來就可以永遠地運動下去，可以源源不斷自動地對外作功，現在人們稱其為第一類永動機。隨著熱力學第一定律的發現，人們認識到：自然界的一切物質都具有能量，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞的過程中能量的物體內能的增加等于物體從外界吸收的熱量與物體對外界所做功的總和。即第一類永動機是不可能被

2、造出來的，熱力學第一定律的發現揭示了自然界是一個相互聯系的整體，極大的推動了科學的發展。熱力學第一定律的表述：根據能量轉化和守恒定律，在系統狀態變化時，系統能量的改變量等于系統與外界交換的能量，在準靜態過程中，系統改變的僅為內能，一般情況下與外界可能同時有功和熱量的交換，即 Q=E+W表示系統吸收的熱量，一部分轉化成系統的內能；另一部分轉化為系統對外所做的功。這就是熱力學第一定律的數字表達式。熱力學第一定律的基本內容：熱可以轉變為功，功也可以轉變為熱；消耗一定的功必產生一定的熱，一定的熱消失時，也必產生一定的功。熱力學第一定律在理想氣體等值過程中的應用：1. 氣體等容的特征是氣體的體積保持不變

3、等容過程在p-V的圖上為一條平行于p軸的直線段，叫做等容線，如圖所示，理想氣體等容過程有p/T為恒量。根據熱力學第一定律，過程中的能量關系有 dQv=dE Qv=E=E1-E2在等容過程中，外界傳給氣體的熱量全部用來增加氣體的內能，系統對外不做功。2. 等壓過程的特征是系統的壓強保持不變等壓過程在p-V圖上為一條平行于V軸的直線段，叫做等壓線，理想氣體等壓過程有V/T為守恒。再等壓過程中，由于p為常數，當氣體體積從V1擴大到V2時，系統對外做功W，所以整個等呀過程中系統所吸收的熱量為等壓過程中系統所吸收的熱量，一部分用來增加系統的內能，另一部分用來對外做功。3.等溫過程的特征是系統的溫度保持不

4、變，即T為恒溫，dT=0一定質量理想氣體等溫可逆過程的特征是氣體壓強P和體積V的乘積不變，PV=恒量。理想氣體的內能僅僅是溫度的函數，所以過程中內能不變。 理想氣體在等溫過程中有體積V1膨脹到V2時，氣體對外做的功為 Wt=(M/Mmol)RTln(V2/V1)由熱力學第一定律得出,理想氣體在等溫過程中能量轉換的特點是Q=A，即系統吸收的熱量等于系統對外界所做的功。4絕熱過程的意思是系統在狀態變化的整個過程中不和外界交換熱量絕對的絕熱過程不可能存在。但一些與外界交換的熱量只占內能很小比例的過程，可以被近似當做絕熱過程。這有兩種可能的情況：一是過程中與外界交換的熱量很少。這可能由于系統被良好的隔

5、熱材料包圍著；或系統邊界處導熱性能差，過程進行得又很快，系統來不及同外界有顯著的熱交換，像蒸汽機斷氣膨脹中水蒸汽的狀態變化二是系統本身內能極大。這時過程進行的時間可以很長。例如深海中的洋流，循環一次常序數十年，洋流與外界交換的熱量與其本身巨大的內能相比微不足道。如此看來，絕熱過程進行的可快可慢，也就有準靜態與非準靜態之分。理想氣體任何（準靜態或非準靜態）絕熱過程的特點對任何絕熱過程，均視其交換的熱量。熱力學第一定律的應用2.熱機通過工質使得熱量不斷轉化為功的機器叫做熱機，例如，蒸汽機、內燃機等。熱機的工作原理：由內能通過做功轉化為機械能，衡量一臺熱機的效率，是指熱機把吸收來的熱量有多少轉化為有

6、用功，因此，我們定義熱機效率為W為輸出功，其中Q1為整個熱機循環的所有吸熱之和，Q2為整個熱機循環的所有放熱之和。熱機是實現將熱能轉化為機械能的主要設備，常見的有柴油機和汽油機，通過將內能轉化為機械能，是通過做功改變內能。制冷系數制冷系數，是指單位功耗所能獲得的冷量。制冷機將具有較低溫度的被冷卻物體的熱量轉移給環境介質從而獲得冷量的機器。從較低溫度物體轉移的熱量習慣上稱為冷量。逆循環過程中向高溫熱源放出的熱量大小等于從低溫熱源中提取的熱量和外界對工質做的功之和，這就是制冷機的工作原理。由于制冷機的目的是從低溫熱源吸收熱量，實現該目的是以外界對工質做功為代價的，所以制冷機的效能是外界對制冷機做了

7、功，能從低溫熱源吸收多大的熱量，因此，制冷系數定義為：e=從低溫處吸取的熱量/外界對工質做凈功大小 =Q2/W凈=Q2/(Q1-Q2)制冷機內參與熱力過程變化（能量轉換和熱量轉移）的工質稱為制冷劑。制冷的溫度范圍通常在120K以上，120K以下屬深低溫技術范圍。制冷機廣泛應用于工農業生產和日常生活中。2.卡諾循環1824年法國工程師卡諾提出了一種理想的熱機的循環：假設工作物質只與兩個恒溫熱源交換熱量，在溫度為T1的高溫處吸熱，在另一溫度為T2的低溫熱源處放熱，并假定所有過程都是準靜態，由于過程是準靜態的，由于過程是準靜態的，所以與兩個恒溫熱源交換熱量的過程必定是等溫過程，又因為只與兩個熱源交換

8、熱lia卡諾循環的效率只與兩個熱源的熱力學溫度有關，如果高溫熱源的溫度1愈高，低溫熱源的溫度2愈低，則卡諾循環的效率愈高。因為不能獲得1的高溫熱源或2=0K（-273）的低溫熱源，所以，卡諾循環的效率必定小于1。任何工作物質作卡諾循環，其效率都一致可以證明，以任何工作物質作卡諾循環，其效率都一致；還可以證明，所有實際循環的效率都低于同樣條件下卡諾循環的效率，也就是說，如果高溫熱源和低溫熱源的溫度確定之后，卡諾循環的效率是在它們之間工作的一切熱機的最高效率界限。因此，提高熱機的效率，應努力提高高溫熱源的溫度和降低低溫熱源的溫度。卡諾循環的效率推導：對于理想氣體等溫可逆膨脹絕熱可逆膨脹等溫可逆壓縮

9、絕熱可逆壓縮根據熱力學第一定律整個循環的系統對環境所做的功都是絕熱反應所以這兩部過程方程簡化為兩式相除帶入所以效率必然小于1，是不可能百分百效率由卡諾循環得知提高熱機效率的方法： 要提高卡諾熱機效率應盡量提高高溫熱源溫度或盡量降低低溫熱源溫度，使T2/T1越來越小。由以上可知： （1）要完成一次卡諾循環必須有溫度一定的高溫和低溫兩個熱源。 （2）卡諾循環的效率只與兩個熱源溫度有關，高溫熱源溫度越高，低溫熱源溫度越來越低，卡諾循環的效率越高。 （3）由于不能實現T1=或T2=0（熱力學第三定律），因此，卡諾循環的效率總是小于1。 （4）可以證明：在相同高溫和低溫熱源之間的一切熱機中，卡諾熱機的效率最高。 卡諾循環諾循環的意義在于從理論上認證提高熱機的工作效率.循環就是要維持能量的動態平衡：既是吸收的總能量與損失的熱量和對外做功之和維持相等關系。參考文獻1汪志誠熱力學統計物理M北京：高等教育出版社，2003：3335.