熱力學第一定律(1)

好了，說完了焦耳，我們回到熱一定律。

在1847年，亥姆霍茲發表《論力的守恆》，第一次系統地闡述了能量守恆原理，從理論上把力學中的能量守恆原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程，揭示其運動形式之間的統一性，它們不僅可以相互轉化，而且在量上還有一種確定的關係。能量守恆與轉化使物理學達到空前的綜合與統一。將能量守恆定律應用到熱力學上，就是熱力學第一定律。

課上講了，熱力學第一定律有三種表述：

封閉系統發生狀態變化時其熱力學能的改變量等於變化過程中環境傳遞給系統的熱及功的總和。

任何系統在平衡態時，有一狀態函數U，叫熱力學能。

第一類永動機不可能。

第一種很好理解。能量守恆和定量轉化嘛。

第二種表述其實說的就是把熱力學能當成媒介，作為熱和功轉化的中間體。熱和功是兩種不同形式的能量，有了熱力學能，熱和功互相定量轉化的途徑就完整了嘛。因此這雖然是熱力學能的定義，其實也是表達了熱一定律的意思，雖然有點繞。

第三種其實是反證法。在熱力學第一定律建立之前，工業革命從紡織業開始蓬勃發展，動力的需求越來越大，很多人就貪婪的想，不用消耗能量，機器就能動該多好啊，這就是「第一類永動機」 。掀起了一股「第一類永動機」的研發熱潮。可是種種設計在實際應用當中都失敗了，而且研究機構應接不暇。1775年法國科學院甚至宣布不再審查此類機器。可是為什麼「第一類永動機」造不出來這個問題，當時還是無法回答。直到熱一定律被發現，才算解給出了答案。

從上面的經歷大家可以發現，熱一定律其實並沒有經過嚴格的推導和證明，而是由多位科學家進行猜想、分析、闡述，並經過焦耳實驗證實而得。但是迄今為止，在所應用的尺度上（先不談相對論與量子物理學），並沒有發現任何違背熱一定律或者能量守恆定律的情形出現，一直用得挺好的，大家也就達成共識，接受了它。

在科學上，一般有這樣一個慣例：絕大多數以「定律」命名的規律都是未經證明的，而絕大多數「定理」是證明出來的。