1、理化學(xué)課題研究地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程13021309050211劉倩熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用摘要：熱力學(xué)第一定律亦即能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，廣泛地應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng) 域。本文講述了它的準確的文字表述和數(shù)學(xué)表達式，及它在理想氣體、熱機的應(yīng)用。關(guān)鍵字：熱力學(xué)第一定律；焦耳定律；熱機；熱機效率引言在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(shè)想屮的機械只需耍一個初始的力量就可使其運轉(zhuǎn)起來，z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(xué)第一定律提岀之前，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(xué)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

2、偉大的應(yīng)用于生產(chǎn)生活多方而的定律的建立過程、具體表述、 及生活屮的應(yīng)用熱機，進行簡單展開。1.熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1.1焦耳實驗理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，即u=u（t）（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。在宏觀理論屮，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(xué)關(guān)系式可以得到m =-c m （2）v5v）t叫 6 丄英屮"和cm v,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(xué)溫度,為了測定氣體的內(nèi)能對體積的依

3、賴關(guān)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小充滿被壓縮的氣體，容器b為真空,a、b相聯(lián)處用一活 門c隔開，整個裝置放入量熱器的水屮。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，氣體在膨脹過程屮與水沒有熱量交換， 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(xué)笫一定律可知。氣體的絕熱口由膨脹是一個等內(nèi)能過程，由第二點再根 據(jù)式，有即焦耳實驗的結(jié)果表明氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)。12熱機及其效率18世紀第一臺蒸汽機問世后，

4、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)的萬能原動機，但英效率卻一直很低，只冇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。人們一直在為捉高熱機的效率1何努力,在摸索屮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iii很 微弱。這就不由得讓人們產(chǎn)生疑問:提高熱機效率的關(guān)鍵是什么?熱機效率的提高有沒 冇一個限度？1824年法國青年工程師卡諾分析了各種熱機的設(shè)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

5、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），且該熱機效率與工作物質(zhì)無關(guān),僅與熱源溫度有關(guān), 從而為熱機的研究工作確定了一個正確的口標。1.2.1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(yīng)用最為廣泛的是蒸汽機。一 個熱機至少應(yīng)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?zé)嵩次鼰幔虻蜏責(zé)嵩捶艧?對外做功的機置。熱機的簡化工作原 理圖如圖1所示。w*1.2.2熱機循環(huán)工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰崴黾拥膬?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，

6、是指系統(tǒng)（即工作物質(zhì)）從初態(tài)岀發(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)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pv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)過程屮，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。1. 2. 2熱機效率一一僅與兩個熱源接觸情形對于一個熱札由熱力學(xué)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)生其他影響。由此可知，熱機不可能將從高溫?zé)嵩次盏臒?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(guān)心燃料燃燒所產(chǎn)生 的熱屮，或熱機從高溫?zé)嵩次盏臒崃垮卸嗌倌芰哭D(zhuǎn)化為有用功的問題，即熱機的 效率問題。設(shè)熱機效率用熱表示，q、q分別表示熱機循環(huán)中高溫所熱源放出的熱量及低溫?zé)嵩此盏臒崃?w外對表示熱機對外做的功，則有： -帆(1)帀熱©對于整個循環(huán)屮，系統(tǒng)回到原狀態(tài)，知由