能量守恒定律與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系

【專家解說(shuō)】：從18世紀(jì)末到19世紀(jì)中葉這段時(shí)期里，德國(guó)醫(yī)生邁爾(J.R.Mayer)第一個(gè)提出了能量守恒定律，而此定律得到物理學(xué)界的確認(rèn)，卻是在英國(guó)物理學(xué)家焦耳(J.P.Joule)的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表以后。 能量守恒定律 定律內(nèi)容:能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。 1)自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng):物體運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能、分子運(yùn)動(dòng)具有內(nèi)能、電荷的運(yùn)動(dòng)具有電能、原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等等。 (2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化:“摩擦生熱是通過(guò)克服摩擦做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;水壺中的水沸騰時(shí)水蒸氣對(duì)壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;電流通過(guò)電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等等”。這些實(shí)例說(shuō)明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且是通過(guò)做功來(lái)完成的這一轉(zhuǎn)化過(guò)程。 (3)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等.某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。 能量守恒的具體表達(dá)形式 保守力學(xué)系統(tǒng):在只有保守力做功的情況下，系統(tǒng)能量表現(xiàn)為機(jī)械能(動(dòng)能和位能)，能量守恒具體表達(dá)為機(jī)械能守恒定律。 熱力學(xué)系統(tǒng):能量表達(dá)為內(nèi)能，熱量和功，能量守恒的表達(dá)形式是熱力學(xué)第一定律。 相對(duì)論性力學(xué):在相對(duì)論里，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變。計(jì)及質(zhì)量改變帶來(lái)能量變化，能量守恒定律依然成立。歷史上也稱這種情況下的能量守恒定律為質(zhì)能守恒定律。 能量守恒定律的重要意義 能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學(xué)到地質(zhì)、生物，大到宇宙天體。小到原子核內(nèi)部，只要有能量轉(zhuǎn)化，就一定服從能量守恒的規(guī)律。從日常生活到科學(xué)研究、工程技術(shù)，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類對(duì)各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風(fēng)能、核能等的利用，都是通過(guò)能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。能量守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器。 基本內(nèi)容:熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時(shí)，也必產(chǎn)生一定的功。 普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程中的具體表現(xiàn)。熱力學(xué)的基本定律之一。 表征熱力學(xué)系統(tǒng)能量的是內(nèi)能。通過(guò)作功和傳熱，系統(tǒng)與外界交換能量，使內(nèi)能有所變化。根據(jù)普遍的能量守恒定律，系統(tǒng)由初態(tài)Ⅰ經(jīng)過(guò)任意過(guò)程到達(dá)終態(tài)Ⅱ后，內(nèi)能的增量ΔU應(yīng)等于在此過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量Q 和系統(tǒng)對(duì)外界作功A之差，即UⅡ-UⅠ=ΔU=Q-A或Q=ΔU+A這就是熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式。如果除作功、傳熱外，還有因物質(zhì)從外界進(jìn)入系統(tǒng)而帶入的能量Z，則應(yīng)為ΔU=Q-A+Z。當(dāng)然，上述ΔU、A、Q、Z均可正可負(fù)。對(duì)于無(wú)限小過(guò)程，熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式為 dQ=dU+dA因U是態(tài)函數(shù)，dU是全微分;Q、A是過(guò)程量，dQ和dA只表示微小量并非全微分，用符號(hào)d以示區(qū)別。又因ΔU或dU只涉及初、終態(tài)，只要求系統(tǒng)初、終態(tài)是平衡態(tài)，與中間狀態(tài)是否平衡態(tài)無(wú)關(guān)。 熱力學(xué)第一定律的另一種表述是:第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。這是許多人幻想制造的能不斷地作功而無(wú)需任何燃料和動(dòng)力的機(jī)器，是能夠無(wú)中生有、源源不斷提供能量的機(jī)器。顯然，第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律。 兩者的區(qū)別與聯(lián)系: 熱力學(xué)第一定律是人類在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的一條普遍規(guī)律，適用于一切熱力學(xué)過(guò)程。熱力學(xué)第一定律表明，一切熱力學(xué)過(guò)程都必須服從能量守恒定律，因此熱力學(xué)第一定律實(shí)際上是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。