2.2 热力学第一定律 课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

2.2 热力学第一定律 思考：热的本质是什么？ 1.认为热是运动的表现 弗兰西斯•培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。 波义耳认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。 笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动； 胡克用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动； 罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等。 2.热质说，即认为热是一种看不见无重量的物质。 热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。 代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等。 热质说对热现象的解释 ：物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功，都使人们相信热质说是正确的。 1. 热力学第一定律的建立 “热质说”的否定 1798年伦福德(Count Rumford,英国)由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出热是物质的一种运动形式。 1799年，戴维（Humphrey Davy，1778-1829，英国化学家）作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验。按热质说观点，热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热变小，但实际上水的比热比冰的还要大。 伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击，为热的唯动说提出了重要的实验证据。 定律产生的背景 18世纪末到19世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发现，广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。许多科学家对这一定律的建立作出了一定贡献。 热能和机械能：伦福德和戴维的实验证明机械能向热能的转化; 蒸汽机的发明和改进→热能向机械能的转化; 热和电：德国物理学家塞贝克（（Thomas Johann Seebeck)于1821年实现了热向电的转化-温差电：他将铜导线和铋导线连成一闭合回路，用手握住一个结点使两结点间产生温差，发现导线上出现电流，冷却一个结点亦可出现电流。电转化为热：1834年，法国的帕尔帖（Peltier)发现了它的逆效应，即当有电流通过时，结点处发生温度变化。1840年和1842年，焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律。 能量转化与守恒思想的萌发 1830年，法国萨迪·卡诺：“准确地说，它既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。” 总之，到了19世纪40年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独立的发现了能量守恒原理。 贡献最为突出的有三位科学家，他们是：德国的医生迈尔，英国的实验物理学家焦耳,德国的生物学家、物理学家亥姆霍兹。 罗伯特•迈尔 1842年撰文《论无机界的力》，被一向注意各种力之间关系的李比希发表于他主编的《化学和药学年刊》上。 在这篇文章中，迈尔从“无中生有，有中生无”和“原因等于结果”等哲学观点出发，表达了物理、化学过程中的力（能量）的守恒思想。考察了用“下落力”转化为运动来论证力的转化和守恒。 在这篇文章的末尾，提出了建立不同的力之间数值上的当量关系的必要性。“例如我们应确定，为把与该物体重量相等的水从0℃加热到1℃，应该把这个重物生起多高”。 海尔曼•亥姆霍兹 亥姆霍兹认为，大自然是统一的，自然力是守恒的。1847年，发表著名论文《力的守恒》，阐述了有心力作用下机械能守恒原理：“当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力总是守恒的。”这里活力是动能，张力是势能。但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文。 焦耳 1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，，写了两篇关键性论文《论磁电的热效应和热的机械值》和《论水电解时产生的热》，明确指出：“自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式。” 焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内，证实了热可以由磁电机产生。从这个实验焦耳立即领悟到热和机械功可以互相转化，在转化过程中遵从一定的当量关系。 热力学第一定律建立的成因 1）理论——迈尔 2）实验——焦耳 3）一批科学家的不懈努力 4）说明了客观条件成熟，相应的自然规律一定会发现。 2. 热力学第一定律 内能 对于一个热力学系统，其能量状态与哪些因素相关？又该用什么样的物理量进行描述呢？ 对一个气体系统而言，其吸收的热量越多了，温度就越高； 对其做功越多，气体被压缩的程度就越高，温度也会变得越高。 功和热都是能量转化和传递的形式，这就说明吸热和做功能够改变热力学系统的能量状态，而温度就是表征系统热力学状态，特别是能量状态的一个物理量。 这个物理量就是内能。 热力学第一定律的表述 热力学第一定律即能量