热力学第一定律的思考

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1、热力学第一定律的思考一、历史渊源与科学背景人类使用热能为自己服务有着悠久的历史,火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。中国古代就对火热的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”一金、木、水、火、土。北宋时刘昼更明确指出“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火”。古希腊米利都学派的那拉克西曼德（约公元611-547前）把火看成是与土、水、气并列的一种原素,它们都是由某种原始物质形成的世界四大主要元素。恩培多克勒（约公元500-430前）更明确提出四元素学说,认为万物都是水、火、土、气

2、四元素在不同数量上不同比例的配合,与我国的五行说十分相似。但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。18世纪中期,苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。这种理论认为,热是由一种特殊的没有重量的流体物质,即热质热素所组成,成为十八世纪热力学占统治地位的理论。但任何一种学说和理论,都必须接受实践的检验。1798年和1799年,伦福德山和戴维抽,先后以金属钻屑实验和两块冰在真空容器中摩擦融化的实例,对热质说进行反驳。十九世纪以来,热之唯动说渐渐地为更多的人们所注意。特别是英国化学家和物理学家克鲁克斯,一所做的风车叶轮旋转实验

3、,证明了热的本质就是分子无规则运动的结论。人们对热的本质的认识大大地进了一步。二、热力学第一定律的确立能量守恒和转化定律的发现与其他基本物理规律的发现的最大不同之处在于它不是某一位科学家独立研究而提出的,最为突出的是罗伯特·迈尔和焦耳的工作。罗伯特·迈尔是一位德国医生,通过对温带与热带地区人类静脉血液颜色的差异的对比分析,意识到了食物化学能可以像机械能一样生热,它们之间应该而且也可以以量的关系转化。1842年,他的《论无机界的力》从“无不生有,有不变无”和“原因等于结果”等哲学观点出发,表达了物理、化学过程中力的守

4、恒思想,提出了建立不同的“力”之间数量上的当量关系的必要性,并初步得出“物体从高的地方下落,相当于把同等重量的水从摄氏度加热到摄氏度”。1845年,迈尔在其自费刊印的另一论文《与有机运动相联系的新陈代谢》中更是进一步肯定了力的转化与守恒规律是支配宇宙的普遍规律,并且通过对“运动的力”,“下落力”,“热”,“电”,“化学力”等不同的具体形式进行讨论,得出了著名的迈尔公式一,继而得出化关系。英国科学家焦耳关于热功当量的测定,为最终确立热力学第一定律奠定了坚实的实验基础,1840年,时值22岁的焦耳通过测定电流通过电阻线

5、所放出的热量,总结出了以他的名字命名的、对确立热功当量起着基础性作用的著名实验定律—焦耳定律,即从此以后,在漫长的年间,他先后作了多次实验,验证了“热与机械力是可以互相转换的”,最后得出热功当量值为423.83千克米/千卡。四、热力学第一定律的伟大历史作用能量守恒和转化定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步,它揭示自然界是一个互相联系、互相转化的统一体,第一次在空前广阔的领域里把自然界各种运动形式联系起来,以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图象。在理论上,这个定律的发现对自然科学的发展和建立辩证唯物主义自然

6、观提供了坚实的基础。在实践上,它对于永动机之不可能实现,给予了科学上的最后判决,使人们走出幻想的境界,从而致力于研究各种能量形式相互转化的具体条件,以求最有效地利用自然界提供的各种各样能源。热力学第一定律的建立,为自然科学领域增添了崭新的内容,同时也大大推动了哲学理论的前进。现在,随着自然科学的不断发展,热力学第一定律经受了一次又一次的考验,并且在新的科学事实面前不断得到新的充实与发展。