《工程热力学》教学体会2017-04

王安良

2014-12-30初稿，2015-9-24二稿，2017-11-07三稿

热力学第一定律

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，能的总量保持守恒^[1]。

The first law of thermodynamics statesthat^[2]:

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

OR:

Energy can be neither creatednordestroyed; 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，有兴趣可以自行查阅。这个定律用于闭口系统、开口系统以及稳定流动过程有成熟的数学表示形式，全都是等式，如果把热力学第零定律看为等式，热力学第一定律则又是一类等式。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（有的学者称之为“定理”，严格来说是对定理和定律这个名词的混淆），毋须证明，只要会应用即可，尤其是对于各类热机和制冷机。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，为了简单热力学分析，可以当成“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”，这才有了非平衡热力学、统计热力学等等，现代热力学体系越来越发展，每年都有大量研究文章，专著也不少。

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”，不容易；有太多的“偶然”或“必然”因素；但若要让“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，虽然研究很多，也还没找到有价值违背“热二律”的反例^[3]。

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，也许可给学生们增添一些“钻研”的兴趣。

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