物理学第二版功能原理能量守恒定律的习题答案

，由此定义了扬氏模量。但他们的定义一直未被人们接受，难怪迈耳、焦耳和亥姆霍兹还用“力”来称为能量。这对定律的表述极不利，再加上热质说的影响还远未肃清，因此“力的守恒”原理一直不为大多数人所接受。当然，也有一批有识之士认识到定律的重大意义并为它的完善进行了卓有成效的工作。其中最著名的是英国的w·汤姆孙（w·thomson1824～1907）和德国的克劳修斯（r·clausius1822～1888）正是他们在前人的基础上提出了热力学第一和第二定律，由此建立了热力学理论体系的大厦。
1850年，克劳修斯在德文版《物理学和化学年报》第79卷上，发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。文中指出：卡诺定理是正确的，但要用热运动说并加上另外的方法证明才行。他认为，单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。”是不够的；还得加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素来的行为相矛盾。”来论证。他说，只有这佯，才能把热看成一种状态量。接下来他作了以下的十分重要的工作：
对于永久气体，下式成立：
pv=r（273+t）（1）
p是压力，v是单位质量的体积，t是摄氏温度。再考虑微小的卡诺循环，可由（1）式得出这一过程中所做的功为：
同时也可计算这一过程消耗的热量：
设热功当量的系数为a，应用焦耳原理，由（2）和（3）得：
这时克劳修斯引进了一个新的态函数u，（4）式变为：
对于这个新的态函数，他指出“其性质有如人们通常所说的那样，假定它为总热量，是一个v和t的函数，由变化的过程的初态和终态完全确定。”
u=u（v，t）（6）
就这样，他得出了热力学第一定律的解析式：
dq=du=dw（7）
我们知道，一个知识领域只有发展到了揭示和把握对象的规定和量的联系时，也就是当用上了数学工具时，它才真正成为了一门科学。因此，只有到了这个时候，能量的转化和守恒定律才同热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学的理论体系的基础。
1853年，w·汤姆孙重新提出了能量的定义。他是这样说的：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和。”他还把态函数u称为内能。直到这时，人们才开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，并广泛使用。在此基础上，苏格兰的物理学家兰金*（w·j·m·rankine1820～1872）才把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。
热力学理论建立之后，很多人还是觉得不好理解，尤其是第二定律。为此，从1854年起，克劳修斯作了大量的工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这两条原理（当时还是叫原理），并多次用通俗的语言进行宣讲。这样，直到1860年左右，能量原理才被人们普遍承认。
4定律的准确表述——能量的转化和守恒定律（1875～1909）
1860年后，能量定律“很快成为全部自然科学的基石。特别是在物理学中，每一种新的理论首先要检验它是否跟能量守恒原理相符合。”但是，时至那时，原理的发现者们还只是着重从量的守恒上去概括定律的名称，而没强调运动的转比。那到底是什么时候原理才被概括成“能量的转比和守恒定律”的呢？从恩格斯在《反杜林论》的一段论述中，可以得到问题的答案。
恩格斯说：“如果说，新发现的、伟大的运动基本规律，十年前还仅仅慨括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不灭这种表述，就是说，仅仅从量方面概括它，那么这种狭隘的、消极的表述日益被那种关于能量的转化的积极表述所代替，在这里过程的质的内容第一次获得了自己的权利，……”恩格斯这段话发表于1885年，他说十年前消极表述日益被积极表述所代替，由此判断，“能量的转化和守恒定律”这一准确而完善的表述应形成于1875年或稍后一点。
到此为止，似乎有关定律的一切问题都解决了。其实不然。
我们知道，直到二十世纪初，热力学中的一个重要基本概念——热量还是沿用的十八世纪的定义，而这个定义是以热质说为基础的。也就是说，在热力学大厦的基石中还有一块是不牢固的。因此，1909年，喀喇氏（c·caratheeodory）对内能进行了重新定义：“任何一个物体或物体系在平衡态有一个态函数u，叫做它的内能，当这个物体从第一态经过一个绝热过程到第二态后，它的内能的增加等于在过程中外界对它所做的功w。”
u2-u1=w（8）
这样定义的内能就与热量毫不相关了，它只与机械能和电磁能有关。在这一基础上可以反过来定义热量：
q=u2-u1-w（9）
直到这个时候，热力学第一定律（能量的转化和守恒定律）、第二定律及整个热力学理论才同热质说实行了最彻底的决裂。
综观全文，可知“能量的转化和守恒定律”的三种表述反映了人类认识这一自然规律的历程。这三种表述一种比一种更深刻，一种比一种更接近客观真理。人类正是这样一步一步地认识物质世界的。
转载自作者：王骁勇
[编辑本段]能量守恒定律的检验
任何物理学定律都需要经过严格的，反复的检验，特别是在把特点领域里发现的定律移植到其他相关领域的时候，往往会发生定律被破坏的情况，比如宇称守恒定律在弱相互作用和电磁相互作用中先后被实验打破。这是不以人的意志为转移的，即使是被人类社会广泛认同的定律，在没有经过严格检验的领域内，仍然不能一厢情愿地认为它是正确的。
焦耳在研究机械能和热能的基础上提出能量守恒定律，当时科学界还不了解电磁相互作用，所以能量守恒定律没有经过在电磁相互作用下的检验。我们知道，在一般情况下电磁能是符合能量守恒定律的，但是不能排除特殊情况下的例外，比如宇称守恒定律也曾经被证明在一般电磁相互作用中是正确的，但是后来被发现在anapole的特殊结构中就不正确。由于电磁结构的多样性和复杂性，给物理学定律的检验带来很大的困难，导致这样的检验是漫长的，没有止境的。
我们可以说能量守恒定律在现有的知识领域内是正确的，但是如果说它在任何领域，任何情况下永远正确就不是科学研究者应有的态度。

实验燃烧热的测定
i.目的要求
一、氧弹热量计测定萘的燃烧热
二、明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热的差别
三、了解热量计中主要部分的作用，掌握氧弹热量计的实验技术
四、学会雷诺图解法校正温度改变值
ii．基本原理
一、燃烧与量热
根据热化学的定义，1mol物质完全氧化时的反应热称作燃烧热。所谓完全氧化，对燃烧产物有明确的规定。譬如，有机化合物中的碳氧化成一氧化碳不能认为是完全氧化，只有氧化成二氧化碳才可以认为是完全氧化。
燃烧热的测定，除了有其实际应用价值外，还可以用于求算化合物的生成热、键能等。
量热法是热力学的一个基本实验方法。在恒容或恒压条件下可以分别测得恒容燃烧热qv和恒压燃烧热qｐ。由热力学第一定律可知，qv等于体系内能变化△u；qｐ等于其焓变△h。若把参加反应的气体和反应生成的气体都作为理想气体处理，则它们之间存在以下关系：
               (1-1a)
               (1-1b)
式中，为反应物和生成物中气体的物质的量之差；为气体常数；为反应时的热力学温度。
热量计的种类很多，本实验所用氧弹热量计是一种环境恒温式的热量计。其它类型的热量计可参阅复旦大学主编的物理化学实验教材技术部分第一章第ⅳ节。
氧弹热量计的安装如图1-1-1和图1-1-2所示。

图1-1-1氧弹热量计安装示意图          图1-1-2氧弹剖面图

二、氧弹热量计
氧弹热量计的基本原理是能量守恒定律。样品完全燃烧所释放的能量使氧弹本身及其周围的介质的热量计有关附件的温度升高。测量介质在燃烧前后温度的变化值，就可求算该样品的恒容燃烧热。其关系式如下：
       (1-2)
式中,w2和m分别为样品的质量和摩尔质量；

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