基本定律（2）

王安良

2014-12-30首次稿，2015-9-24修改稿。

热力学第一定律

这个定律在热力学所有定律里，属于第一批次提出的，应用最广泛，而在我这轮教学系列体会中，是第二个介绍的定律，虽然很重要，我计划下一轮讲课时先讲第二定律较好。

热力学第一定律可表述为：

当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变[1]。

The first law of thermodynamics states that[2]:

For all adiabatic processes between two specified states of a closedsystem, the net work done is the same regardless of the nature of the closedsystem and the details of the process.

OR:

Energy can be neither created nordestroyed; it can only change forms.

这个定律从提出到发展的历史，相关的文献可以说是汗牛充栋，有兴趣的可以自行查阅。我也不免俗，谈谈自己的最新体会。这个定律用于闭口系统、开口系统以及稳定流动过程有不同的数学表示形式，全都是等式，可以说是所有热力学定律中唯一的“恒”等式。人们往往容易忽略的问题是，不同的等式均有各自的适用条件与范围，这也是第一类永动机常常被提出的原因之一。第一、二类永动机的研究和设想者都是理想主义者，也可能是“无知者无畏”，其精神可嘉，可惜正如“唐吉坷德”，他们屡败屡战。到了二十一世纪，还有很多这样的痴心梦想者，只不过属于“花样翻新”，而且许多还披上了“科学家”的外衣。

与其它三个热力学定律一样，热力学第一定律也是经验定律（有的学者称“定理”，严格来说是对定理和定律的误解），毋须证明，只要会应用即可。既然，要求人们会应用，首先应理解透彻。当然，理解不透彻也行，我们不能要求所有会吃面包的人，都会做面包。

首先，应清楚其适用范围，自从爱因斯坦创立“相对论”之后，再加上量子力学等新物理理论的发展，热力学第一定律的适用条件限定的更准确了，但也往往被一些人不恰当地“扩大”或“缩小”了其应用范围。闭口系统虽然没有物质交换，但不代表没有能量交换，更不代表没有“信息”交换，与孤立系统有本质的不同。稳定流动过程是一类特殊的开口系统，它们一定是非平衡的过程，为了简单分析，可以当其成“准静态”过程。

注意，这里用了“可以”这个不严格的词，言外之意，也就常有“不可以”的情况。“不可以”的例子简直“俯首皆是”，常常被“外行”所忽略，这就让所谓的“内行”有混饭吃的机会，而且还有了所谓的“科研”，还可以写papers、写书。从这个角度上来说，是“外行”养活着“内行”，外行是内行的衣食父母，应当受到尊敬和感谢。

简单来说，“不可以”就是说热力学第一定律的数学等式关系在一些条件下“可以”不成立。这在现实生活中非常常见，尤其是科学实践，“不相等”是普遍的，“相等”却非常少见，甚至可以说几乎不可能“恒等”。许多人把热能转换过程中的“不相等”当成是“误差”，其实误差、偏差、精度在概念上还是有区别的。为什么人们一般能理解热力学第一定律，甚至还常常“推翻”热力学第一定律，但“推翻”热力学第二定律却很难？因为，热力学第一定律本质上是“等式”，而第二定律本质上是“不等式”，要想让“等式”两边的参数“相等”，太难；有太多的“偶然”或“必然”因素；若要让“不等式”反号，将产生截然相反的颠覆性结论，更难。用爱因斯坦的话来说：要证明“不等式”不成立，只用一个真实存在的反例就足够了。很遗憾，我还没找到有价值违背“热二律”的反例，也许“内行”们也都没找到，也许…？

热力学第一定律应于不同的对象，有许多独特的数学表达式，可以说千变万化，人们在工程应用时一定要谨慎，“无招胜有招”是一种很高的境界，不是谁都能达到的。我自己非常欣赏有明显“缺陷”的教材，而对许多自吹自擂所谓的研究论文、甚至专著“嗤之以鼻”。别人可以说我是“酸狐狸”心态，没关系；有的人经不起“虚情假意”的赞美，papers list很长，一张“嘴”就露馅，还自我陶醉的样子继续“唱歌”，“半斤八两”而已。只要“狐狸”没有被灭绝，“乌鸦”的生存空间将更大。（最后这段话是去年针对那些网上在我的博文后大放厥词的匿名评论者，许多它们不仅是懦夫，而且还是“棒槌”，对任何人都可以胡乱评论，且说话不动脑子。经过一年的观察，我认为有些实名博主也是一样的“无脑”。所以，这段话也就不用删除了。2015-9-24）

参考文献：

[1].     朱明善，刘颖，林兆庄，彭晓峰，工程热力学，清华大学出版社，1995，第1版

[2].     Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Thermodynamics : an engineeringapproach, McGraw-Hill, 2002