提纲：能量守恒定律和热力学三定律

提纲：能量守恒定律和热力学三定律的发现 不论那种运动形态都只能以热的形态进行耗散，所以热学定律适用于各种运动形态，而且实际上不论那种运动形态的量化定律关系都可以用热力学定律予以理解和衡量。 为了能够用统一的概念和尺度比较和度量各种运动形态的运动能力（机械运动、热运动、电力、磁力、声动、生物力、化学力、核力等），在19世纪初Thomas Young在这些应力、应变和变形能概念的基础上，提出了统一的概念——能态和能量。 19世纪中叶，把各种运动能力分别称为机械能、热能、电能、磁能、声能、生物能、化学能和核能等。这些能态的数量关系用双边的等当关系——当量作为换算的桥梁，即以显示在他们各自的特性背后存在统一的共性和量度关系。同一性和统一的量度，永远是科学研究追求的目标，这个追求导致驾驭各种能态的度量之间存在共同的能量转化和守恒定律。

一、 能量守恒定律的发现 1. 能量概念的由来 1802年英国物理家ThomasYoung 在皇家学院作了系列讲演，其中提出了科学的能量概念。 在讲演的力学部分的第8讲中，他认为对于弹性体和非弹性体的碰撞（如弹性变形和塑性变形的能力，子弹打入土或牛脂中）而言： 2. 能量大小的表示法 活力（vis viva）: Huygens 在1669年，Leibniz 在1686年提出用“mv2

”，

后来科里奥利提出用“1/2 mv2”表示得到学术界的赞同。 3. 对热的本质的认识过程： （1） 燃素说：Newton的粒子说居统治地位后，德国的J.Becher在1669年提出油土是燃素，G.E.Stahl在1720年左右的《化学基础》基础中改“油土”为“燃素”，提出系统的燃素理论，后来被A.L.Lavoisier用实验证明质量守恒时，否定了燃素说。 （2） 热素说：J.Black为了说明热与温度的区别，引入不可见的和无重量的热素概念。 （3） 热动说： （4）热能说： 4. 能量守恒定律发现的前提条件： （1）必须从热是粒子的一种运动或能态的思想出发，研究的转化和守恒关系； （2）必须从不同能量形态之间的定量转化关系出发， （3）提出各种形态运动的数量之间、各种力的数量之间转化是不灭的或守恒的说法，不能认为发现了能量守恒定律。 （4）各种能态之间的数理计算和用实验确认，两种论证具备，才能认为发现了能量守恒定律。 5. 关于能量守恒定律发现的几个阶段： 能量守恒定律的实际发现过程可大致分为六个阶段: 机械能守恒定律

热功转化守恒定律 热能与电能（磁能）转化守恒定律 热能—化学能转化守恒定律 化学能—生物能—机械能守恒定律 能量守恒定律 （1） 机械能守恒：1842年R.Mayer提出“落下力（md）与运动（mv2）转化守恒”，1947年Helmholtz提出活力守恒定律: 1/2 m(v22—v12 ) = mg（h12 —h22）和 力守恒定律：1/2 m（v22—v12 ）= ∫f ds。 1951年Rankine 提出potential energy、actual energy和机械能概念， 1953年他在《能量转化的普遍定律》文中提出机械能守恒定律：宇宙间物体的势能与实际能（即动能）的总和应为常数。他被称为“能学之父”。 （2）热功转化守恒： James Watt。 S.Carnot的热机可逆循环。E.Clapeyron在1834年提出了热功可逆循环图。 理论上：通过Gay-Lussac 定律P1V1 / T1=P2V2 / T2。。 对于理想气体，PV/T ∞ R, 所以 PV =n RT, PV: 气体做的功， T：绝对温度。此外，还可用Cp / Cv =1.412, Cp、Cv分别是定压比热和定容比热，根据气体的理想情况和种类，知道它们的R值，从而求出功PV与热量的比值，即热功当量。S.Carnot：370克 / 卡，R.Mayer 1642年： 365-367克米 / 卡。James P. Joule测出424.18克米 / 卡。1878年为424.71克米/卡 或4.16 焦耳，国际公认的数值为426.935克米/卡。 （3）热能与电能的转化守恒：1940年焦耳在《皇家学会议事录》上发表《论用伏打电产生的热》论文中宣布发现了电热转化的焦耳定律：Q= I2 Rt。 （4）1821和831年，Michael Faraday通过实验发现了电磁回转现象和电磁感应现象，因而发现了电力与机械力之间、电力与磁力之间的转化关系。 (5 ) 电能与化学能转化守恒：1832—1833年间，Michael Faraday 实验发现了电能与化学能的转化，并测定了电化当量。 （6）生物能、化学能和机械能的转化守恒：i798年Galvani 发现闪电使青蛙腿伸缩现象；Liebig在1840年代曾见实验室研制化肥，使农作物有明显收益；R.Mayer 在爪哇发现人的静脉血比在德国是要鲜红，说明热带温度高出进了血液的氧化，他和Helmholtz都举出人体分泌液体将食物化合和分解成营养物，予以消化，最后转化为四肢运动的机械能和热能。 （7）能量转化和守恒定律：能量守恒定律是一个通过自然界各种能态之间的转化观察和实验（部分通过数理计算预实验结合），才归纳出的科学定律，严格地说应称为能量守恒原理。上述种种发现和想法都是通过从热素说向热动说转变后才出现的。但是要真正归纳出能量守恒而不是运动守恒，还需要研究者们的观点从热动说上升为朴实的能态和能量概念。1847年Helmholtz发表《力的守恒》长篇论文后，此文从理论和算式上列出活（werke）的守恒和机械能（用krafte一词）守恒表示式，并对电、磁化学亲和力和生物能等用较详细的分析和说明这些能态之间的转化守恒关系。到1951年Rankine第一次提出势能、实际能（即动能）概念和机械能守恒公式。接着，Kelvin 用能量的观点表述热力学第一定律和第二定律。作与Joule密切合作，从能量的角度对各种能态之间的转化予以审视和处理，最后归纳成综合的和普适的能量守恒定律。 附：介绍（1）Mayer的故事 （2）Joule的故事 小结：能量守恒定律是在19世纪20-50年代，有不同科学家在不同的国度分别从观察和思想（Grove、Colding、R.Mayer）上，,从理论计算(R.Mayer、Helmholtz、W.Thonson)上，从实验（Joule）上，分别作出自己的贡献，先由 Helmholtz用力—功的概念，最后由W.Thomson 用能量的概念予以综合和概括，而形成的一个经验性的科学定律，严格地说，能量守恒原理比较更贴切些。 驳：能量守恒定律是不同国家的许多科学家几乎同时发现了能量守恒定律的看法。

1. 热力学第一定律：Clausius的第一定律为：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成正比。反之，通过消耗同样大小的功将产生同样数量的热”。1954年在《论机械热理论第二定律的一个改变形式》论文中，他第一次提出这个定律的表示式：如果工质为气体，表示式为： Q = U + PV, dQ=dU+APdV, Kelvin 提出的热力学第一定律是：“物质系必须以热或机械功的形式给出同它得到的同样多的能量”。这说明他认为热和功应转化为与它们相当的能量，而不论是以什么形式。 他提出的表示式为： W+J（H1+H1+……+H1 (n-1)+H1 (n)）= 0 W: 系统作的外功，J：热功当量，H1：输入高温体与低温体之间的无数个可逆的小部分之一的热量他用能量守恒的观点提出热力学第一定律。 2. 热力学第二定律：Carnot的热机可逆循环实际上是不可能存在的，因为从热体传向冷体的热量可能因为热传导、辐射和其他耗散形式而损失，而机械功会由于摩擦而将热量耗散，都是不可返回的普遍现象，绝对的封闭和绝热系统是不可能实现的。所以研究有方向性的热传导规律是极其重要的。 Clausius 在1850年及其以后的四篇论文中，提出了四种关于的热力学第二定律的说法，中具有代表性的说法有“克氏说法” （1）1854年发表的《论机械热理论第二定律的改变形式》论文中：热力学第二定律为 “热不可能由冷体传到热体，如果不因之引起其他关系的变化”。  S命名：

 Clausius 提出了热力学第二定律表示式 ∮dQ / T ≤ 0， 按照热功循环的正、

反过程，此式可分解为 ∫21dQ / T + ∫12dQ / T ≤ 0, ∴ S —S0 ≥ ∫21dQ / T, 对于封闭和绝热过程：S — S0 ≥ 0，这说明，在封闭的和绝热系统中，熵增加，故称热力学第二定律为熵增原理。 （2）1875年，在《热的动力理论》中，他的新说法是： “热不可能自发地从冷体传到热体” “热不可能无补偿地从冷体传到热体”。 开氏说法：1851年他提出的代表性说法为：  “不借助外部动因将热从冷体传到热体，制成永动机是不可能的”；  “不可能由非生命的作用，将物质冷却到比周围最冷的东西还 要低的温度的方法，使物质的任何部分产生机械效应”。  他的第二定律表示式为： H 1/ t + H1’/ t +……+H (n-1) / t (n-1)+H (n) / t (n) = 0，H：输入热量，他：温度 此时说明Thomson 在1851年已经认识到 H / t 是个状态函数熵的组合。  王竹溪教授对笔者说过：“热力学第二定律通常是指开耳芬的说法，这个说非常深刻， 他明确强调了两个热源的必要性，从这个说法马上可以看到，Carnot发现的热机必须工作与两个热源之间的结