热力学第一定律论文（经典范6篇）

　　热力学第一定律是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律，就指不同形式的能量在传递与转换过程中守恒的定律，本篇文章就向大家介绍几篇探讨热力学第一定律论文，希望大家通过以下论文，对这一定律有所了觖，对自己论文的构思也有一定的想法。

　　热力学第一定律论文经典范6篇之第一篇：关于热力学第一定律的剖析与讲解

　　摘要：热力学基础是《大学物理》课程的重要教学章节。热力学第一定律是热力学基础的重点和难点之一， 是学习热力学第二定律的基础。作者从教学内容设计环节开展了积极的教学改革实践， 从方法论和数学推导等方面落实教学内容， 激发学生的学习兴趣和热情， 该教学成果对同类课程设计具有借鉴意义。

　　关键词：热力学第一定律； 热量； 功； 内能； 大学物理；

　　现有教材刚性规定了热量、功和内能增量三个基础物理量的符号， 而没有给出详细的解释， 造成学生在接受的过程中， 心存疑问。作者设计了三个物理过程， 借助数学推导讲解内能增量、功和热量符号的规定原则， 并采用归纳法介绍了热力学第一定律。

　　一、从生活中寻找例子， 活跃课堂气氛

　　冬天摸到冰块， 手感觉寒冷， 这是因为我们手的温度高于冰块的温度， 人手的热量传递到冰块上了。这个过程是热量从高温物体自发传递到低温物体的过程， 是热力学第零定律描述的过程。

　　二、借助内能表达式， 规定内能增量的符号

　　内能E是系统所有动能和势能的总和， 内能的数学表达式：对于一特定的某种理想气体， 气体的摩尔数ν， 自由度数目i和气体常数R都是定值， 气体的内能E是温度T的单值函数。令理想气体的初始温度为Ti, 末态温度为Tf, 温度改变量ΔT=Tf-Ti, 则气体内能的改变量可以表示为。当气体温度升高， ΔT为正值， 故内能改变量ΔE为正值；当温度降低， ΔT为负值， 故内能改变量ΔE为负值。

　　三、借助绝热过程， 规定功的符号

　　根据牛顿力学基本知识， 学生已经对功建立直观的理解， 认识到功是力在空间的积累效应， 力对任意质点做功可以表示为。力对带有轻质活塞的绝缘密闭理想气体做功， 是力对活塞做功， 然后活塞把能量传递给理想气体的过程。活塞在外力的推动下， 极其缓慢向前移动Δl的距离， 并压缩理想气体， 在这个过程中外力做功可以表示为。由于是绝缘系统， 气体既无法从外界获得热量也无法向外界传递热量。外力推动活塞压缩理想气体的过程是外界对理想气体施加能量的过程， 给予的能量等于外力做功的大小， 在这个过程中气体分子之间的距离变小了， 于是分子碰撞就更加频繁了， 气体分子之间剧烈摩擦产生热量， 从而气体的温度升高， 这说明外界对气体做功可以增加气体的内能。如果令理想气体初始的内能为为Ei, 末态的内能为Ef, 则外界对气体做功W=ΔE=Ef-Ei.这个表达式说明系统内能增量与外界对气体做功之间是能量相互转化的结果。据此规定功的符号：外界压缩气体， 外界对气体做正功。相对而言， 气体对外做功则为负值。如果是气体膨胀， 气体对外界做功， 气体做功为正值。

　　四、借助等体吸热过程， 规定热量符号

　　假定有一个刚性导热的容器， 其体积不会改变， 故外界无法对气体做功， 同样气体也无法对外做功。刚性容器内盛有υ摩尔的理想气体， 理想气体的初始内能是Ei, 当加热容器， 外界传递给气体的热量为Q, 根据能量守恒的观点， 热量全部转化为气体的内能， 此时气体的内能Ef=Ei+Q.因此， 内能改变量ΔE=Ef-Ei=Q.如果系统向外传递热量为Q, 系统的内能减少。故而， 系统吸收热量， 热量的符号为正值；系统放出热量， 热量的符号为负值。通过这段授课内容向学生明确了二个内容： （1） 热量符号的规定； （2） 热量的作用之一：增加系统的内能。

　　五、借助密闭非刚性容器内气体吸热过程， 归纳热力学第一定律的表达式

　　假设有一个带有轻质活塞的密闭容器， 在平衡状态下， 活塞静止不动。加热密闭容器， 气体吸收热量， 气体分子运动速度增加， 从而其平动动能Ek增加， 根据压强P的表达式， 容器内气体的压强增大， 从而活塞受到气体的推动力变大， 以前处于平衡态的活塞将在加热后推动活塞向外运动， 如果活塞向外运动了Δl的距离， 在这个过程中气体对外做功大小可以表示为。另一方面， 根据， 气体分子的平均平动动能Ek增加， 意味气体温度升高， 气体内能增加。

　　综上所述， 理想气体与外界交换热量Q, 可以产生两个效应， 其一是改变气体的内能， 令内能改变量为；其二是气体对外做功， 令气体做功为W.在反复实验和验证的基础上， 人们从能量守恒的角度总结出热力学第一定律， 其数学表达式为。热力学第一定律是一个以热力学系统为研究对象的经验公式， 是特别涵盖热能的、对能量守恒的描述， 其符号规定是：系统吸收热量时Q为正值， 系统放出热量时Q为负值；系统对外做功时W为正值， 外界对系统做功时W为负值；系统温度升高时为正值， 系统温度降低时为负值。

　　参考文献
　　[1]马文蔚， 周雨青。物理学教程第二版上册[M].北京：高等教育出版社， 2006.
　　[2] James S.Wakker.Physics第二版[M].New Jersey:Pearson Education, Inc., 2004.

热力学第一定律论文经典范6篇之第二篇：浅谈热力学定律的发展历程和其内在逻辑关系

　　摘要：热力学基本定律是研究热功转化问题的理论基础， 在认识和学习热力学基本定律的同时了解热力学定律的起源和发展过程， 有助于理解热力学的内涵和精髓。本文简述了热力学四大定律的起源和发展历程， 并且从能量的角度， 阐述了热力学定律中内在的逻辑关系。

　　关键词：热力学定律； 热力学史； 逻辑关系；

　　人类对于热能的利用可以追溯到远古时代，我们的祖先利用火来烧烤食物、制造工具、驱赶猛兽、驱寒取暖，这是对于热能的直接利用。随着时代的发展、工业技术的进步、人类生活生产的需要等因素的推动，人类对于热能的利用越来越广泛，从直接利用到间接利用，锅炉、蒸汽机、内燃机等热动力设备也应运而出。在科学和技术逐步发展的过程中，人们也在不断探索热现象的本质以及热功转化的机制，并从19世纪中叶到20世纪中叶先后建立热力学四大定律，确定了热力学是研究能量属性及其转换规律的一门科学。而热力学史作为一门学科史，其研究的基本对象就是热力学定律的起源和发展过程。

　　目前对于热力学史的研究主要集中于热力学基本定律的起源与发展、热力学相关科学家的生平介绍、热力学与生活生产的关系等几个方面。王竹溪[1]教授概述了热力学发展的几个主要阶段、热力学与生活生产的关系以及热力学发展和哲学思想的关系。张辉[2]等人简要概述了经典热力学在化工生产中的应用及其发展历程和存在的局限性。乃比江·买提吐米尔[3]等人主要讨论热力学的发展简史和热力学理论与其在热现象中的应用。本文将简述热力学四大定律的起源和发展历程，并且从能量的角度阐述了热力学定律之间的逻辑关系。

　　1 热力学定律发展史概要

　　17世纪末，欧洲国家的采矿业迅速发展，虽然煤炭储量不少，但都储存于地下水位之下，当时人们使用的抽水机不能够解决煤矿渗水的问题。现实的需要导致了蒸汽机的发明。1698年英国人萨弗里（Thomas Savery, 1650~1715）首先发明了利用水蒸气来汲水的蒸汽泵。1712年英国人纽科门（Thomas Newcomen, 1663~1729）发明了带活塞装置的大气式蒸汽机。1763年英国的机械师瓦特（James Watt, 1736~1819）在纽科门发明的基础上，将冷凝器和汽缸分离开，减少了冷凝损失，提高了热机的热效率。但是纽科门、瓦特等人对于热机效率的改进只是基于试验，没有科学的理论基础，首先触及热机效率本质研究的是一位来自法国的科学家萨迪·卡诺[4]（Sadi Carnot, 1796~1832）。1824年卡诺在其发表的《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》一文中，提出了理想热机的可逆循环和卡诺定理。他认为热机必须工作于两个热源之间， 并且在功的产生过程中，必定有一部分热从高温热源传递到了低温热源。同时，卡诺还提出了理想热机的热效率极限值，这一观点为热功转化的极限问题提供了理论依据。但当时卡诺的研究并没有引起学界的广泛重视，直到热功当量被证实之后，学界才意识到卡诺的研究其实已经触及到了热力学第二定律的核心。

　　19世纪上半叶，科学的发展迎来了波澜壮阔的五十年。科学家们在机械运动领域、电磁学领域、热力学领域的研究都有很大的进展。1807年，英国科学家托马斯·扬 （Thomas Young, 1773~1829） 首次提出了能量的概念。1843年英国物理学家焦耳（James Prescott Joule, 1818~1889）提出了测量热功当量的方法。他利用重物作功使受压的水通过管的小孔喷出，因而使管口加热，此方法测得热功当量为770磅/卡。热功当量的证实极大推进了热力学的发展。1850年德国物理学家克劳修斯[5]（Rudolf Clausius, 1822~1888）在其发表的《论热的移动力及可能由此得出的热定律中》一文中。以焦耳的热功当量为实验基础，提出了热力学第一定律。同时克劳修斯在卡诺观点的基础上研究了能量转换的极限和方向问题，提出了热力学第二定律。随后的1851年，英国科学家开尔文勋爵 （William Thomson, 1824~1907） 在其发表的论文中也同时提出了热力学第一和第二定律。1853年，英国科学家朗肯（Rankine, 1820~1872年）把能量的概念运用到机械运动分析中提出了机械能守恒定律。紧接着1856年，开尔文勋爵以朗肯提出的机械能守恒定律为突破口，揭示了机械能与热能、电磁能、化学能等之间的转化关系，并最终提出能量守恒定律。

　　20世纪初，科学界正经历着巨大的变革和发展，量子力学的出现使得物理学的研究进入到了微观粒子的范畴。热力学也因此进入到了以微观粒子为视角的统计热力学领域。1906年德国科学家能斯特（Walther Nernst, 1864~1941）根据实验发现，化学反应温度越低，恒温反应熵变越小。因此他推论出在温度趋于绝对零度时，等温反应过程中体系的熵值不变。1912年，能斯特又提出绝对零度不可能达到原理：不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。绝对零度不可达到原理也被称为热力学第三定律。1939年，英国物理学家拉尔夫·福勒（Ralph Howard Fowler, 1889~1944）在其著作《统计热力学》中详细的研究了统计力学的平衡态理论和热力学之间的联系。并首次提出了热力学第零定律的表述：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡， 则它们彼此也必定处于热平衡。

　　2 热力学定律的内在逻辑关系

　　热力学基本定律构成了热力学的理论基础。本文提出了一种观点，从能量的角度揭示了热力学四大基本定律之间的逻辑关系。热力学第一定律是能量守恒定律，在热功当量和分子运动论的基础上定义了内能的概念，指出在热功转化过程中应遵守能量守恒定律。热力学第二定律可理解为能质损耗定律，定义了熵的概念。热功转化应遵守能量守恒原理，但热量不能百分之百的转化为功量，热和功是两种不同品位的能量，在它们相互转化的时候，存在一定的损耗，这种损耗的程度被定义为熵。热力学第三定律可以被称为能量最大定律，热三律定义了绝对零度的概念。热二律表明，热功转换过程中一定存在损耗，那么此损耗的起点在什么地方呢？能斯特定义了绝对零度为损耗发生的起点，即在绝对零度时无损耗发生，热可以百分之百转化为功，此时系统的熵为零，系统分子表现为最大程度的有序状态，但同时能斯特又指出了绝对零度是不能到达的，即热不能百分之百的转化为功。最后，热力学第零定律可理解为能量表现定律，热零律定义了温度的概念，故热零律又被称作测温依据。宏观上温度的变化表现为系统能量的改变，即可能是做功也可能是热传递；微观上温度的变化是系统分子热运动剧烈程度的外在表现形式。热一、热二、热三律都和温度有着密切的联系，但那时并没有人去定义什么是温度，故在热三律提出之后，科学家认为温度这一概念的提出是热力学理论的基础，故将其称作热力学第零定律。

　　3 结论

　　英国科学家查尔斯·珀西·斯诺 （C.P.Snow, 1905~1980） 在《两种文化与科学革命》一书中写道："一位对热力学一无所知的人文学者和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕".热力学在其三百多年的发展历程中，已经形成了一套完整的理论体系。并且随着工业的发展和科学技术的进步，热力学的研究范围已经涉及动力引擎、能源化工、航空航天、低温制冷等各个领域，然而地球上的矿物资源毕竟有限，如何提高热能的利用效率，仍将是一个世界性的学术问题，所以热力学的发展也并不会停止，人类对于热力学的深入研究也仍在继续。

　　参考文献
　　[1]王竹溪。热力学发展史概要[J].物理通报， 1962 （4） :145-151.
　　[2]张辉， 刘德磊， 曾莉莉， 等。经典热力学发展概述[J].广州化工， 2012, 40 （2） :26-28.
　　[3]乃比江·买提吐米尔， 买热木尼沙·库尔班。热力学发展简史研究[J].和田师范专科学校学报， 2006 （1） :172-173.
　　[4]袁运开， 戚越然。萨迪·卡诺--热力学的奠基者[J].自然杂志， 1983 （7） :545-549.
　　[5]WilliamH.Cropper, 郭振华。鲁道夫·克劳修斯与通向熵之路[J].大学物理， 1988 （12） :26-31.
　　[6]阎康年。热力学史[M].济南：山东科学技术出版社， 1989:10-132

　　文献来源：张晓婷，陈俊亦，王璐珂。浅谈热力学定律的发展历程和其内在逻辑关系[J].科学技术创新，2019（26）：50-51.