热力学第一定律能量守恒（有趣的热力学第一定律）

能量，这个我们身边的朋友，飘忽不定， 诡谲多变，有时甚至不知道该怎么给他取名。但它确实是存在着，总以可预见的方式行事。这意味着，如果你知道它的规律，那么你就可以预测什么会发生，什么不会发生。

聪明的科学家和工程师们，通过巧妙的实验，甚至更精密的思索，经过很长的时间终于发现了他们。当然，这需要一些创造性的思考。回顾过去，它的存在是多么的不显眼。但有一点明显的就是，当时多数关于能量的看法是错误的。

图1 风轮机转换部分(而不是全部)风的为机械能和电能

在阐述热力学的第一定律，也就是常被称为的能量守恒定律之前，让我们先搞清楚一些概念。

1.能量可以储存。

2.能量可以从一堆或一块物质移动到另一堆或另一块物质。

3.从一种形式转化到另一种形式。

在所有这些移动和转变过程中，能量的总和永远保持改变，这就是著名的热力学第一定律。

听起来挺简单的吧，嘿嘿！

还有其他的表达方式：

a.能量在任何和每一个过程、转变或"发生"中都是守恒的。

b.能量不是凭空产生。

c.能量不会凭空消失。

d.能量既不会被创造出来，也不被消亡。

既然能量是守恒的，那么，为什么我们总是说要节约更多的能源呢？当我们说能量总是守恒的时候，我们指的是任何过程或反应中的总能量永远不会改变。当我们告诉自己要节约能源时，我们的意思是通过驾驶更节能的汽车，或者建造隔热更好的的房子，从而减少能源的使用。

但是等等，如果能量永远不会消失，如果总量总是保持不变的话，我们为什么要担心浪费呢？我们就不能继续重复使用吗？我们并不真正"使用"能量，我们转换它，它永远不会"耗尽"。

这是一个很有意思的问题，而且也是一个很好的问题。不过，热力学第一定律并没有真正回答这个问题，它只告诉我们能量总和不变。要想回答这个问题，需要发现热力学第二定律。下一篇文章我会进一步阐述第二定律。

示例1 发动机

当发动机燃烧燃料时，它将储存在燃料中的化学能转化为有用的机械能和热能。虽然不同类型的燃料有不同的能量，但在任何1kg或1L燃料的能量都是定值。仅此而已，再也不会有其他的能量隐藏着了。

热力学第一定律告诉我们，当燃料的所有能量都通过在发动机气缸中燃烧而释放出来时，它就不会消失。如图所示，在发动机中，能量的形式要么是热能，要么是机械能。每燃烧100单位燃料，就必须有100单位的能量转换出来。它不会消失。

图2 发动机中的能量守恒

100 = 1 5 21 32 41

燃料输入能量 = 热辐射 燃油消耗 冷却水消耗 热耗散 有效工作能

如果上式两端加起来不相等，那么只有一种可能，就是计算错误。

你可能已经注意到，每燃烧100单位燃料，只有41个单位的有效能量输出（热效率η=5%）。看起来效率不高，对吧？但这其实已经不错了。大多数发动机运转不足40%，有些甚至不到30%，而古老的蒸汽机时代，每燃烧100单位的木材或煤，仅有5～6单位的有用能量输出（η=5%～6%）。

燃料中一半以上的能量离开了发动机。30%以上的能量被排气管排出的废气带走。发动机部件摩擦时产生的热能被润滑摩擦表面的机油吸收，以防止部件过热和熔化。其余的热能主要通过发动机汽缸流入冷却水中。如果发动机有后冷设备，部分热能还会流到那里去。

作为机械设计和制造的工程师，必须密切关注能量的去向，他们需要仔细测量所有液体进出发动机的温度和流量，这样才能准确把握能量走向。然后，尝试找出如何将更多的燃料能量转化为有效工作能的方法，以提高热效率，设计出高效的机械设备。

由于对热力学定律的理解，现代发动机比过去的效率要高得多。但是，正如热力学第二定律所告诉我们的那样，发动机的效率是有限度的，而且不是很接近100%。一些发动机现在正接近实际极限。等下一篇文章中，我会对此进行说明。期待吧。

示例2 热功当量实验（焦耳实验）

现在我们可以理所当然的认为，功可以转换为热能，热能也可以被用来做功。但是，人们认识到这点，经历了漫长的时间。下图是由一位伟大的科学家设计巧妙的实验装置。通过它，人们开始认识到功能的转化规律。

图3 焦耳实验

这个人的名字叫做詹姆斯·普雷斯科特·焦耳。前面的教名和本名，大家可能不太熟悉，但后面的两个字绝对是耳熟能详，其伟大就不用我在此多言了吧。

1845年，焦耳做了这个设计极为巧妙的实验：他在绝热的容器里装了水，中间安上带有桨叶的转轴，转轴由细绳与重物连接，然后通过重物下落带动容器中的桨叶转动，而会使水温升高。

图4 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

根据重物下落的高度L，可以算出转化的机械功（W=mgL）；根据量热器内水的升高的温度ΔT，就可以计算水的内能的升高值（ΔU=CmΔT）。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。由此测得的热功当量值，并经其后来修正后为4.159 J/cal，这个值非常接近20世纪初期采用的值4.186 J/cal。

1847年，焦耳于英国协会的会议上，做了关于热功当量的报告，当时的听众中有乔治·斯托克斯（高等数学中的“斯托克斯公式”； 流体力学有“斯托克斯定律”）、迈克尔·法拉第（电磁感应），以及当时已经被格拉斯哥大学聘为教授的年轻新人威廉·汤姆森（开尔文勋爵，名字比较陌生，但说到绝对零度K，就可以点头微笑了吧）。斯托克斯“倾向成为一个焦耳主义者”；法拉第虽然心存怀疑但还是“被焦耳的理论所震惊”；开尔文被迷住了，但还是有所怀疑。虽然当时学术界对此均表示怀疑，但是经过其他科学家的努力，证明了同样的结果，焦耳的工作最终得到了大家的认可。

现在热功当量这个概念已经被弃用了，但是无疑这个实验，对热力学的发展起了重大的推动作用，也为发现热力学第一定律确定了基础。为了纪念焦耳的伟大发现，人们以焦耳作为功、热量、能量的单位。