热力学第一定律通识物理

在14—18 世纪，由于热、功、能之间的本质和转化关系尚未被揭示，人们根据自身的直观感受和生活经验提出了“热质说”。然而，随着人类对自然界认识的不断深入，以及热计量技术的发展，人们逐渐对热质说产生了怀疑。

18世纪末，美国人伦福德成为第一个质疑“热质说”的人。如图6.2所示，伦福德是一个军火商，在研制大炮的过程中，他发现用刀具切削黄铜炮筒时，会产生大量的热，以至于将黄铜都熔化了。伦福德对这个现象感到非常惊讶，一连串难以回答的问题冒了出来：黄铜中怎么会含有那么多的热质？难道这些热质源自人的身体？可是人的身体也发热了呀？这些多余的热质究竟是从哪里来的？伦福德静下心来，突然想道：刀具、人和炮筒的直接接触并不能产生热，只有自己用刀具切削时才会发热。于是，伦福德推测：热可能不是一种物质，而与“运动”有关。1798 年，伦福德将自己有关“热”和“运动”关系的发现，以及对“热质说”的怀疑理由，通过一篇名为“关于摩擦产生热来源的调研”的论文呈于世人，这篇论文如多米诺骨牌一般引起了更多科学家对“热质说”的质疑和关注。在这里有一个很有趣的细节：“热质说”的主要贡献者是法国化学家拉瓦锡，而拉瓦锡则在法国大革命中因其包税人（替皇帝收税的专员）的身份而被处死，他的妻子后来续嫁给了同样热爱科学的伦福德，没想到正是伦福德点燃了推翻“热质说”理论的导火索。

图6.2　伦福德对热质说提出质疑

1799 年，21 岁的英国化学家戴维斯看到了伦福德的论文，他对伦福德的观点极为赞同。如图6.3 所示，他当众演示，用一根绳子在冰块表面来回摩擦，结果冰融化了。显然，冰块中不可能含有足够多使自己融化的热质，绳子也不可能传导人体的热质使冰块融化，反倒是人因为运动而发热出汗了。据此，戴维斯认为：冰块融化的原因应该与绳子的摩擦运动有关，正是摩擦的“机械运动”变成了“热运动”，也就是“摩擦生热”。戴维斯由此断言：“热质根本就是不存在的。”伦福德和戴维的实验彻底动摇了热质说，从那时起，几乎所有人都相信“热是一种运动”的观点，这为热学的发展扫清了最后的理论障碍。接下来，科学家们所面临的问题，就是如何揭示“热”和“运动”的本质和内在联系。

图6.3　戴维斯当众演示“摩擦生热”

到了19 世纪，德国医生迈尔通过对两个现象的思考，终于对“热”和“运动”的内在联系有了更深入的认识。1840 年，在一次驶往印度尼西亚的航行中，随船医生迈尔在给病人治疗时发现静脉血要比在德国时看到的鲜红很多。这个发现给迈尔留下深刻的印象，他由此想道：在热带，人体散热少，血液氧化少，静脉血含氧高所以较为鲜红。这个现象很好地说明：食物中的化学能正是通过人体内的氧化反应变为热量，并散发到环境中。而另一次，迈尔在路上看到马车奔驰而过，路面的冰雪融化了，他由此突然想到一个问题：马的肌肉之力产生了什么物理效果？在迈尔看来，马消耗食物中的化学能，并转化为奔跑的机械能，同时这个机械能又通过摩擦使路面和轴承变热。由此看来，动物可以用散热和做功两种方式使环境变热，所以“散热”和“做功”这两者之间必然有确定的转化关系，而要证明这个关系，则必须计算热功之间的转化比例，也就是“热功当量”。1842 年，迈尔在《化学与药学年鉴》杂志上发表了一篇短文，他根据气体的热容推算出热功当量大约是365 kg·m·Cal-1，这个计算值虽然比正确值小了17%，但也算是世界上最早公布的热功当量值了。

迈尔发表“热功当量”论文的时间最早，但其论证方式偏向于哲学思辨，缺乏确凿的实验证据，而提供最为确凿实验证据的则是英国著名物理学家焦耳。1843 年，根据迈尔有关“热功当量”的想法，焦耳设计了一个十分巧妙的实验。如图6.4 所示，他将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量产生的感生电流，线圈放在装水的容器中，通过测量水温来计算线圈产生的热量，这个容器是完全封闭的，没有内外的热量交换，水温的升高只能是电流做功转化为热的结果。在这个实验的基础上，焦耳经过多达400次的反复实验、改进和测量，终于得到了一个较为准确的热功当量值423.9 kg·m·Cal-1，和现在公认值427 kg·m·Cal-1已经非常接近了。焦耳的实验以精确的数据证实了“散热”和“做功”之间存在确定的转化关系，换句话说：“热”和“功”具有相同的本质，且可以自由转化，所以“热”并不是一种物质。就这样，“热功当量”的准确测量，使得迷惑与困扰人类世界一百多年的“热质说”就此退出了历史的舞台。(www.xing528.com)

图6.4　焦耳测量“热功当量”

1847 年，德国物理学家赫姆霍兹在迈尔和焦耳的研究基础上进行了总结，并结合自己的实验发现，最终提出了一个新热学规律的完整表述。赫姆霍兹认为：既然迈尔认为动物可以用“散热”和“做功”两种方式使环境“变热”，且两者具有相同的本质，那么“散热”和“做功”就是改变“环境热”的两种方式；同时，赫姆霍兹通过实验还证实“环境热”的本质是一种“热力学系统能量”，所以可以用“内能”来表征“环境热”。由此，赫姆霍兹终于提出了一条有关“热、功、能间转化关系”的新热力学定律：“系统内能的改变量ΔU 等于外界对系统做功ΔA 和传热ΔQ 之和”，或者也可以通俗地说“传热和做功是改变系统内能的两种方式”，这就是“热力学第一定律”，其数学表达式为：

热力学第一定律具有重要的科学意义，它不仅是热学建立的基础，其有关“能量转化”的内容还启发了更为宏观的“能量守恒定律”的提出，所以从本质上讲：热力学第一定律就是能量守恒定律在微观热力学系统中的体现。此外，热力学第一定律还具有重要的历史意义：一方面，热力学第一定律揭示了功、热、能之间的本质是一致的（图6.5），从而宣告“热质说”的错误；另一方面，它还揭示了“做功必须由能量或热量转化而来，不能无中生有”的实质，这使得“第一类永动机”的想法被永远扔进了历史的坟墓。

图6.5　热、功、能的一致性将热质说和永动机扔进了历史的坟墓