机械基础第二版化学答案（工科化学二六）

4.1化学热力学与能量转化

4.1.3热力学第一定律：能量转化与守恒定律

文字表述：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物质转移到另外一个物质，但在转化过程中，能量的总和保持不变。

能量转化与守恒定律是热力学发展过程中最伟大的成就，没有之一，恩格斯把能量转化与守恒定律和生物进化论以及细胞学说并称为“19世纪自然科学三大发现”。这是一个划时代的成就，它让热力学告别了野蛮生长的“战国时代”，让热力学的发展开始有章可依。

我们在看下热力学第一定律提出之前，热力学的科学家都在做什么呢。他们都在设计永动机！！！没看错，就是永动机，虽然现在看来，稍微有点科学常识的人都知道永动机就是一个骗局，但在当时，永动机是科学界梦寐以求的东西。

第一类永动机：无需环境供给能量而能连续对环境做功的机器。某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或做功，即不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。

这个是达芬奇设计的第一类永动机

13世纪法国人亨内考设计的第一台永动机:魔轮

就在整个科学界都在为永动机着迷的时候，1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年英国科学家詹姆斯·焦耳提出热力学第一定律，他们从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就是：第一类永动机不可能实现。

PS：这儿我要强调一下几个定义的差别：公理、定理和定律。公理指的是无需证明的公认的，绝对正确的命题，如果说：两点之间，线段最短。定理是需要证明的，可以从公理或者其他定理出发而证明的命题，比如：三角形内角和等于180度。而定律也是无需证明的，他是从无数事实中总结概括出来的，是对现实结果的总结表述。所以这里，大家不要去追究热力学第一定律怎么去证明，他是一个定律，无需证明。就比如大数据表明，中国人星期一喜欢穿白色衣服，这就是一个统计了指定群体的中国人得出来的结论命题，自然也是无需证明的。

热力学第一定律的使用是隔离系统和封闭系统，必须与环境之间没有能量交换。那我们的宇宙是不是也必须与外界没有能量交换，否则热力学第一定律就不成了（证伪一个命题只需要提出一个反例即可），而宇宙外面与宇宙有没有能量交换，现在还没有证实，这也可能是以后推翻热力学第一定律的伏笔。

热力学第一定律的数学表达式

能量转化与守恒定律的数学表达式

热力学第一定律的文字描述是一个定性描述，而工科研究更多的是定量研究，所以，这里我们还要说一下热力学第一定律的数学表达式：热力学能变等于功和热的代数和

关于第一类永动机的表述，还有第二类永动机的说法，他是于热力学第二定律的反面，因为涉及到热功当量和热温商等概念，我们在后面还会提到，这里就不再描述了。

下一节讲热、功、热力学能变之间关于热力学第一定律之间的常用运算