探究热力学第一定律及其应用
摘要：热力学第一定律即为能量守恒定律，在各个学科各个领域中得到了广泛的应用，热力学第一定律的发展和应用极大的改变了我们的生活。
-
关键字：热力学第一定律热机能量守恒卡诺循环
引言：曾经有人想着制造一种机器，只需提供初始能量使其运动起来就可以永远地运动下去，可以源源不断自动地对外作功，现在人们称其为第一类永动机。随着热力学第一定律的发现，人们认识到：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递的过程中能量的物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与物体对外界所做功的总和。即第一类永动机是不可能被造出来的，热力学第一定律的发现揭示了自然界是一个相互联系的整体，极大的推动了科学的发展。
热力学第一定律的表述：根据能量转化和守恒定律，在系统状态变化
时，系统能量的改变量等于系统与外界交换的能量，在准静态过程中，系统改变的仅为内能，一般情况下与外界可能同时有功和热量的交换，即 Q=△E+W表示系统吸收的热量，一部分转化成系统的内能；另一部分转化为系统对外所做的功。这就是热力学第一定律的数字表达式。
热力学第一定律的基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。—
热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用：
1.气体等容的特征是气体的体积保持不变
等容过程在p-V的图上为一条平行于p轴的直线段，叫做等容线，如图所示，理想气体等容过程有p/T为恒量。
根据热力学第一定律，过程中的能量关系有
dQv=dE
-
在等容过程中，外界传给气体的热量全部用来增加气体的内能，系统对外不做功。
2.等压过程的特征是系统的压强保持不变
等压过程在p-V 图上为一条平行于V 轴的直线段，叫做等压线，理想气体等压过程有V/T 为守恒。
再等压过程中，由于p 为常数，当气体体积从V1扩大到V2时，系统对外做功W ，所以整个等呀过程中系统所吸收的热量为
$
2121()()
2
P mol M i
Q E W R T T P V V M =?+=-+-
】
P
o
21
等压过程中系统所吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，另一部分用来对外做功。
3.等温过程的特征是系统的温度保持不变，即T 为恒温，dT=0 一定质量理想气体等温可逆过程的特征是气体压强P 和体积V 的乘积不变，PV=恒量。理想气体的内能仅仅是温度的函数，所以过程中内能不变。
￥
理想气体在等温过程中有体积V1膨胀到V2时，气体对外做的功为 Wt=(M/Mmol)RTln(V2/V1)
)
由热力学第一定律得出,理想气体在等温过程中能量转换的特点是Q=A ，即系统吸收的热量等于系统对外界所做的功。
4绝热过程的意思是系统在状态变化的整个过程中不和外界交换热
o
2
1P 1
V 2
P
量
@
绝对的绝热过程不可能存在。但一些与外界交换的热量只占内能很小比例的过程，可以被近似当做绝热过程。这有两种可能的情况：
一是过程中与外界交换的热量很少。这可能由于系统被良好的隔热材料包围着；或系统边界处导热性能差，过程进行得又很快，系统来不及同外界有显著的热交换，像蒸汽机断气膨胀中水蒸汽的状态变化
二是系统本身内能极大。这时过程进行的时间可以很长。例如深海中的洋流，循环一次常序数十年，洋流与外界交换的热量与其本身巨大的内能相比微不足道。
如此看来，绝热过程进行的可快可慢，也就有准静态与非准静态之分。理想气体任何（准静态或非准静态）绝热过程的特点对任何绝热过程，均视其交换的热量。
【
热力学第一定律的应用
2.热机
通过工质使得热量不断转化为功的机器叫做热机，例如，蒸汽机、内燃机等。热机的工作原理：由内能通过做功转化为机械能，衡量一台热机的效率，是指热机把吸收来的热量有多少转化为有用功，因此，
我们定义热机效率为
;
W为输出功，其中Q1为整个热机循环的所有吸热之和，Q2为整个热机循环的所有放热之和。
热机是实现将热能转化为机械能的主要设备，常见的有柴油机和汽油机，通过将内能转化为机械能，是通过做功改变内能。
制冷系数
制冷系数，是指单位功耗所能获得的冷量。制冷机将具有较低温度的被冷却物体的热量转移给环境介质从而获得冷量的机器。从较低温度物体转移的热量习惯上称为冷量。逆循环过程中向高温热源放出的热量大小等于从低温热源中提取的热量和外界对工质做的功之和，这就是制冷机的工作原理。由于制冷机的目的是从低温热源吸收热量，实现该目的是以外界对工质做功为代价的，所以制冷机的效能是外界对制冷机做了功，能从低温热源吸收多大的热量，因此，制冷系数定义为：
e=从低温处吸取的热量/外界对工质做净功大小
#
=Q2/W净=Q2/(Q1-Q2)
制冷机内参与热力过程变化（能量转换和热量转移）的工质称为制冷剂。制冷的温度范围通常在120K以上，120K以下属深低温技术范围。制冷机广泛应用于工农业生产和日常生活中。
2.卡诺循环
1824年法国工程师卡诺提出了一种理想的热机的循环：假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，在温度为T1的高温处吸热，在另一温度为T2的低温热源处放热，并假定所有过程都是准静态，由于过程是准静态的，由于过程是准静态的，所以与两个恒温热源交换热量的过程必定是等温过程，又因为只与两个热源交换热lia卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果高温热源的温度Ｔ1愈高，低温热源的温度Ｔ2愈低，则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得Ｔ1→∞的高温热源或Ｔ2=0K（-273℃）的低温热源，所以，卡诺循环的效率必定小于1。任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致；还可以证明，所有实际循环的效率都低于同样条件下卡诺循环的效率，也就是说，如果高温热源和低温热源的温度确定之后，卡诺循环的效率是在它们之间工作的一切热机的最高效率界限。因此，提高热机的效率，应努力提高高温热源的温度和降低低温热源的温度。
卡诺循环的效率推导：对于理想气体
'
Ⅰ等温可逆膨胀
Ⅱ绝热可逆膨胀
Ⅲ等温可逆压缩
]
Ⅳ绝热可逆压缩
根据热力学第一定律整个循环的
"
系统对环境所做的功都是绝热反应所以这两部过程方程简化为
两式相除带入
&
所以效率必然小于1，是不可能百分百效率
由卡诺循环得知提高热机效率的方法：
1
21T T -
=η
|
要提高卡诺热机效率应尽量提高高温热源温度或尽量降低低温热源
温度，使T2/T1越来越小。
由以上可知：
（1）要完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温和低温两个热源。（2）卡诺循环的效率只与两个热源温度有关，高温热源温度越高，低温热源温度越来越低，卡诺循环的效率越高。
（3）由于不能实现T1=∞或T2=0（热力学第三定律），因此，卡诺循环的效率总是小于1。
（4）可以证明：在相同高温和低温热源之间的一切热机中，卡诺热机的效率最高。
卡诺循环
诺循环的意义在于从理论上认证提高热机的工作效率.循环就是要维持能量的动态平衡：既是吸收的总能量与损失的热量和对外做功之和维持相等关系。
参考文献
[1]汪志诚．热力学·统计物理[M]．北京：高等教育出版社，2003：33—35.
[2]靳海琴，王筠．热机及其效率研究[J]．湖北第二师范学院学报．2009：1
[3]《动力工程学报》2007, 27(2):218-222
[4]王竹溪，热力学，高等教育出版社，（1955），84，48
[5]热力学第二定律史话. 化学通报，1：49
[6]李继坤，2000. 关于卡诺制冷机循环周期的再讨论. 中国科学院上海冶金研究所博士论文