热力学第一定律 能量守恒定律

复习提问 1 、研究一个热力学系统与外界是绝热的，如果外界对系统做功， 系统的内能怎么变化？外界做的功跟系统内能的变化之间是什 么定量关系？ 2 、研究一个热力学系统跟外界只有单纯热传递发生，如果系统 从外界吸热，系统的内能怎么变化？系统从外界吸收的热量跟 系统内能的变化之间是什么定量关系？ 思考：如果系统与外界的做功和热传递同时发生，那 么系统的内能增量又等于什么呢？

热力学第一定律（ first law of thermodynamics) 1 、表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 热量与外界对它所做的功的和。 2 、意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之 间的定量关系。 3 、数学表达式： ΔU= Q +W

（一）焦耳实验再讨论 1 、 “ 液体 ” 系统 增加内能 通过热传递 2 、 “ 液体和电阻丝 ” 系统 增加内能 通过做功 明确 “ 系统 ”

（二）功和热量 1 、广义的功：力学相互作用下的能量传递 2 、热量 : 系统与外界之间由于存在温度差而传递 能量

 定律中各量的正、负号及含义 物理量符号意义符号意义 W+ 外界对物体 做功 － 物体对外界 做功 Q+ 物体吸热 － 物体放热 ΔuΔu+ 内能增加 － 内能减少 思考与讨论

例题：空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传 递的热量 2.0 × 10 5 J ，同时空气的内能增加了 1.5 × 10 5 J. 这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做 了多少功？ 解：根据热力学第一定律 ΔU = Q + W 知： W= ΔU － Q = +1.5 × 10 5 J - （ × 10 5 J ） = +3.5 × 10 5 J 所以此过程中外界对空气做了 3.5 × 10 5 J 的功 。

二、能量守恒定律 实验录像：能的转化和守恒定律

能量守恒定律 1 、内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只 能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别 的物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变． 2 、能量守恒定律的历史意义 能的转化和守恒定律是 19 世纪自然科学中三大发现之 一，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭。 能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这 个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域 的科学工作者有一系列的共同语言。

三、永动机不可能制成 2 、永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。 1 、 第一类永动机 概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。 结果：无一例外地归于失败。 原因：违背了能量守恒定律。

录像：永动机不可能制成

动画：失败的永动机

著名科学家达 · 芬奇早在 15 世纪就提出过永动机不可能 的思想，他曾设计过一种转轮，如图 1 所示， 在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银， 他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经 过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设 计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道： “ 永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去 做淘金者吧！ ” 图 1 达 · 芬奇设想的永动机

滚球永动机 17 世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔 基斯的犯人，他做了一台可以转动的 “ 永动机 ” ，如图 2 所示。 转轮直径达 4.3 米，有 40 个各重 23 千克的钢球沿转轮辐翼 外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向 中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国 王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维 持短时运动的。 图2 图2 滚球永动机

软臂永动机 19 世纪有人设计了一种特殊机构，如图 3 所示。 它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的 臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心 靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没 有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在 原地。 图3 图3 软臂永动机

阿基米得螺旋永动机 1681 年，英国有一位著名的医生 弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋（图 4 ） 把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机，水轮机 除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋转不断提水， 如此周而复始，不就可以无需担心天旱水枯了吗？一时间， 响应他的人大有人在，形形色色的自动水轮机陆续提出，竟 出 现了热潮。 1. 水沟 2. 阿基米得螺旋 3. 水轮 4. 水磨 图 4 阿基米得螺旋永动机

磁力永动机 大约在 1570 年，意大利有一位教授叫泰 斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。他的设计 如图 5 所示， A 是一个磁石，铁球 G 受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到 上端的 E 处，从小洞 B 落下，经曲面 BFC 返回，复又被磁石吸 引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没 有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变 化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。 图5 图5 磁力永动机

如果说永动机的 “ 发明 ” 对人类有点益处的话，那就是 人们可以从中吸取教训：一切违背能量转化与守恒定律等 自然规律的 “ 创造 ” 都是注定要失败的 亲爱的读者，你们读了这些发明永动机的故事有什么感 想？科学规律不容违反，违反了就要碰壁，大家千万不要 做那种徒劳无功的事啊！ 就在一些人热衷于制造永动机的同时， 科学家们从力学基本理论的研究中逐步认 识到了自然界的客观规律性。继达 · 芬奇之 后，斯蒂文于 1568 年写了一本《静力学基 础》，其中讨论斜面上力的分解问题时， 明确地提出了永动机不可能实现的观点。 他所用的插图画在该书扉页上，见图 6 ，图的上方写着： “ 神奇其实并不神奇。 ” 将 14 个等重的小球均匀地用线穿起组 成首尾相连的球链，放在斜面上，他认为链的 “ 运动没有尽头 是荒谬的 ” ，所以两侧应平衡。 右图 6 为 “ 神奇其实并不神奇 ”