的气体自由膨胀实验,容器A中充满被压缩的气体,容器B为真空,A、B相联处用一活门C隔开, 整个装置放入量热器的水中。当活门C打开后, 气体将自由膨胀充满整个容器。这就是著名的焦耳实验。焦耳测量了气体膨胀前后水的平衡温度,发现水的平衡温度没有改变。这一结果说明两点, 第一,气体在膨胀过程中与水没有热量交换, 因而气体进行的是绝热自由膨胀过程；第二,膨胀前后气体的温度没有改变。由第一点,根据热力学第一定律可知。气体的绝热自由膨胀是一个等内能过程,由第二点再根据（2）式,有
??U????0 ??V?T即焦耳实验的结果表明气体的内能仅是温度的函数[5]。 3.1.2 多孔塞实验与焦耳—汤姆孙效应
焦耳曾用绝热自由膨胀实验来研究气体的内能与气体的体积或压强的关系，结果由于水与水槽热容量太大，而气体自由膨胀前后的温度变化又可能很小，因此实验无法对实际气体得出确切结论。为进一步研究气体膨胀后温度的变化，从而提供实际气体的内能不仅与温度而且也与体积或压强有关的证据，1852年，焦耳与汤姆孙一起设计了一个新实验——多孔塞实验，并由此实验发现了又能很大使用价值的焦耳-汤姆孙效应，简称焦-汤效应。焦-汤实验有一个用不导热材料做成的管子，管子中间有一多孔塞（如棉絮一类东西）或节流阀，多孔塞两边各有一个可无摩擦活动的活塞A和B。开始在活塞A和多孔塞之间充有压强为1p体积为1V温度为1T的气体，而活塞B紧贴多孔塞。实验时以外压强1p推动活塞A向右缓慢移动使气体经过多孔塞流向压强较小的多孔塞右边区域，并给活塞B以向左的较低外压强2p并让B也缓慢向右移动，以维持流过多孔塞的气体压强为较低的2p。由于多孔塞对气体的较大阻滞作用，从而能够在多孔塞两边维持一定压强差，使气体从原来的压强1p绝热地经多孔塞后降为压强2p。气体从温度为1T、体积为1V、压强为1p的高压状态缓慢绝热地经过多孔塞后，使气体压强降为2p、体积膨胀为2V的过程，称为绝热节流过程。因为这节流过程是在对外绝热的管内进行的，所以这节流过程也是绝热的。 3.2热机及其效率
18世纪第一台蒸汽机问世后,经过许多人的改进,特别是纽科门和瓦特的工作,使蒸汽机成为普遍适用于工业的万能原动机,但其效率却一直很低,只有3%5%左右,95%以上的热量都未被利用。其他热机的效率也普遍不高,譬如:液体燃料火箭效率48%,柴油机
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效率37%,汽油机效率25%等等。
人们一直在为提高热机的效率而努力,在摸索中对蒸汽机等热机的结构不断进行各种尝试和改进,尽量减少漏气、散热和摩擦等因素的影响,但热机效率的提高依旧很微弱。这就不由得让人们产生疑问:提高热机效率的关键是什么?热机效率的提高有没有一个限度?
1824年法国青年工程师卡诺分析了各种热机的设计方案和基本结构,根据热机的基本工作过程,研究了一种理想热机的效率,这种热机确定了我们能将吸收的热量最大限度地用来对外做
有用功(此即著名的卡诺定理),且该热机效率与工作物质无关,仅与热源温度有关,从而为热机的研究工作确定了一个正确的目标[6]。 3.2.1热机
热机是指把持续将热转化为功的机械装置,热机中应用最为广泛的是蒸汽机。一个热机至少应包含以下三个组成部分:循环工作物质;两个或两个以上的温度不同的热源,使工作物质从高温热源吸热,向低温热源放热;对外做功的机置。热机的简化工作原理图如图1所示。
图1 热机简化原理图
3.2.2热机循环
工作物质从高温热源吸热所增加的内能不能全部转化为对外做的有用功,还需对外放出一部分热量,这是由循环过程的特点决定的。
所谓循环过程,是指系统(即工作物质)从初态出发,经历一系列的中间状态,最后回到原来状态的过程。一个循环过程在P-V图上即为一条闭合的循环曲线,在循环过程中热机所做的净功就是指P-V图上循环曲线所围的面积,如图2中阴影部分面积所示。
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图2 热机循环
对于在P-V图上顺时针变化的循环,系统从较高温度的热源吸热,向较低温度的热源放热,在整个循环过程中,系统对外界做出净功,即为热机。而对于逆时针变化的循环,系统从温度较低的热源吸热,向温度较高的热源放热,在整个循环过程中,外界对系统做净功,即为制冷机或热泵。综上可见,在P-V图上顺时针循环为热机,逆时针循环为制冷机。
3.2.2热机效率——仅与两个热源接触情形
对于一个热机,由热力学第二定律知:不可能从单一热源吸热,不需对外放热,而使之全部变成有用功而不产生其他影响。由此可知,热机不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为功,即热机效率不能达到100%,这样,人们就必然会关心燃料燃烧所产生的热中,或热机从高温热源吸收的热量中,有多少能量转化为有用功的问题,即热机的效率问题。
设热机效率用?热表示，Q1、Q2分别表示热机循环中高温所热源放出的热量及低温热源所吸收的热量,W外对表示热机对外做的功,则有:
?热?W对外Q1 （1）
对于整个循环中，系统回到原状态，知?U?0 由热力学第一定律 ?U?Q?W （2）
得： W有用?Q1?Q2 (3) 将（3）代入（1）得：
?热Q1?Q2Q16
?1?Q2Q1 （4）
3.3 准静态过程与可逆过程 一个原处于平衡态的系统。在外界条件有了变化时，其平衡态必被破坏。之后，若外界条件不再变化，则经过一段弛豫时间，系统可在外界可在外界所决定的新环境下达到新的平衡。但实际上，往往在新的平衡态尚未到达之前，外界又发生了下一步的变化，因而系统经历了一系列非平衡态。但如果按一种理想方式来改变系统的状态，则有可能使过程的性质有所不同。 3.3.1 准静态过程
当过程进行的速度无限缓慢时，系统状态的变化与平衡态的重建几乎可以同时进行，以致于在过程中的每一时刻，系统都无限接近于一平衡态，称这样的过程为准静态过程。
准静态过程必然有以下特点：
（1）过程进行中的每一时刻都可以用确定的状态参量描写系统的状态。对于气体系统，由于可选p、V、T中任意两个量作为独立变量，所以在V-T平面或p-T平面上也能图示出平衡态及准静态过程。
（2）准静态过程中，外界条件在缓慢变化，每一中间态都与外界保持相应的平衡，系统与外界状态一一对应，因此，准静态过程的每一中间态还可以用外界条件来单一地确定。
（3）准静态过程是个理想过程，不能真正达到，但可无限趋近，可以说它是实际过程进行速度趋于零的极限情况，所以它也就是进行得足够缓慢的实际过程的近似代表。
3.3.2 可逆过程
一个系统由某一状态出发，经过某过程达到另一状态，如果存在另一过程，他能使系统和外界完全复原，则原过程称为可逆过程。
不可逆与可逆过程的关键区别在于：不可逆过程反向进行时，如果系统本身的状态是正向进行时状态变化的逆序重演，那么，外界状态一定不是同样地逆序重演。 无摩擦（无阻尼），也无非弹性碰撞的纯机械运动都是可逆过程。
仔细考虑自然界的各种不可逆过程，可以总结出不可逆性无外乎来自下述两种效应：
（1）耗散效应
耗散效应在原过程中使得一部分机械能或电磁能通过作功而转换成了系统或外界的内能，但在反向过程中非但不能从系统或外界抽取出这些内能使之转变为机械能或电磁能以弥补原过程中的损失，而且还要继续为有耗散而付出机械能或电磁能。 （2）不平衡效应
任何一种不平衡效应都将导致非准静态过程，它们不符合上述可逆过程的定义。 经验指出，不可逆过程不但不能直接反向进行而保持外界情况不变，而且不可逆过程所产生的效果，不论用任何曲折与复杂的方法，都不可能完全恢复原状而不引起其他变化。
总结
本文回顾了热力学第一定律建立的背景及过程，其中着重指出了三位科学家迈尔、焦耳、核姆霍兹在定律建立中所起的决定性的作用，而后，向读者详细阐述了热力学第一定律的文字表述及数学表达式，接着，就其在热机方面的应用给了简单的分
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