大学物理第十八单元热力学第一定律

《热力学第一定律》讲义一、热力学第一定律的引入在探索自然界的能量转化和守恒规律的过程中，热力学第一定律应运而生。

它是热力学的基础，对于理解各种热现象和能量转换过程具有至关重要的意义。

想象一下，我们生活中的各种能量形式，比如热能让我们感到温暖，机械能让机器运转，电能点亮灯光。

那么，这些不同形式的能量之间是如何相互转换的？又是否存在某种不变的规律呢？这就是热力学第一定律要回答的问题。

二、热力学第一定律的表述热力学第一定律可以表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。

这看似简单的一句话，却蕴含着深刻的物理内涵。

它意味着我们的宇宙是一个封闭的能量系统，能量的流动和变化有着严格的规律可循。

为了更直观地理解这一定律，我们可以举几个例子。

比如，当我们燃烧煤炭来加热水时，煤炭中的化学能通过燃烧转化为热能，然后热能传递给水，使水的温度升高。

在这个过程中，总能量始终保持不变，只是能量的形式从化学能变成了热能。

又比如，汽车发动机通过燃烧汽油将化学能转化为机械能，从而驱动汽车前进。

虽然能量的形式发生了变化，但能量的总量并没有增加或减少。

三、热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律可以用数学表达式来精确描述。

通常，我们用ΔU ＝ Q ＋ W 来表示。

其中，ΔU 表示系统内能的变化，Q 表示系统吸收或放出的热量，W 表示系统对外界做功或外界对系统做功。

当 Q 为正值时，表示系统吸收热量；当 Q 为负值时，表示系统放出热量。

当 W 为正值时，表示系统对外界做功；当 W 为负值时，表示外界对系统做功。

这个表达式清晰地展示了内能、热量和功之间的关系。

比如说，一个绝热容器中的气体被压缩，外界对气体做功，由于是绝热过程，没有热量交换（Q ＝ 0），根据表达式，气体的内能增加（ΔU ＞ 0）。

再比如，一个热的物体与一个冷的物体接触，热的物体向冷的物体传递热量（Q ＜ 0），如果没有做功过程（W ＝ 0），那么热物体的内能减少，冷物体的内能增加，但两者内能的总和不变。

《热力学第一定律》知识清单一、热力学第一定律的基本概念热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是热力学的基本定律之一。

它指出：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。

这个定律是对自然界中能量现象的一种基本概括和总结。

它适用于各种形式的能量，包括热能、机械能、电能、化学能等等。

二、热力学第一定律的表达式热力学第一定律可以用数学表达式来表示。

常见的表达式为：ΔU ＝ Q W其中，ΔU 表示系统内能的变化，Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统对外界所做的功。

当系统从外界吸收热量 Q 时，Q 为正值；当系统向外界放出热量时，Q 为负值。

当系统对外界做功 W 时，W 为正值；当外界对系统做功时，W 为负值。

这个表达式清楚地表明了内能的变化与热量和功之间的关系。

三、内能内能是热力学系统内部所有微观粒子的各种能量形式的总和，包括分子的动能、分子间的势能、分子内部的能量等等。

内能是一个状态函数，它只取决于系统的状态（如温度、压力、体积等），而与系统经历的过程无关。

例如，对于一定量的理想气体，其内能仅仅取决于温度。

四、热量热量是由于温度差而在系统与外界之间传递的能量。

热量的传递可以通过热传导、热对流和热辐射等方式进行。

热传导是指通过直接接触，由高温物体向低温物体传递热量。

热对流则是通过流体（液体或气体）的流动来传递热量。

热辐射是通过电磁波的形式传递热量，不需要介质。

五、功功是力在位移上的积累。

在热力学中，功的形式多种多样。

例如，当气体膨胀或压缩时，气体对容器壁做功或容器壁对气体做功。

体积功是热力学中常见的一种功，其计算可以通过压力与体积变化的乘积来得到。

六、热力学第一定律的应用1、热机热机是将热能转化为机械能的装置，如蒸汽机、内燃机等。

根据热力学第一定律，热机在工作过程中，从高温热源吸收的热量一部分转化为有用的机械能，另一部分则排放到低温热源。

热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式：ΔE=W+Q。

在热力学中，热力学第一定律通常表述为：热能和机械能在转化时，总能量保持不变。

其数学表达式为ΔE=W+Q，其中ΔE表示系统内能的改变，W表示系统对外所做的功，Q表示系统从外界吸收的热量。

这个定律表明，能量的转化和守恒定律是自然界的基本定律之一，它适用于任何与外界没有能量交换的孤立系统。

换句话说，在一个封闭系统中，能量的总量是恒定的，改变的只是能量的形式。

因此，热力学第一定律是能量守恒定律在热现象领域中的应用。

另外，对于一个封闭系统，如果系统内部没有发生化学反应或相变等过程，那么系统对外做的功等于系统从外界吸收的热量。

这是因为系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。

值得注意的是，热力学第一定律也适用于非平衡态系统。

即使系统处于非平衡态，热力学第一定律仍然适用。

因此，它不仅是热力学的基石之一，也是整个物理学的基石之一。

为了更好地理解热力学第一定律，我们可以考虑一些具体的应用场景。

例如，在汽车发动机中，汽油燃烧产生的热能转化为汽车的动能和废气中的内能。

在这个过程中，系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。

因此，根据热力学第一定律，我们可以计算出汽车发动机的效率，从而评估其能源利用效果。

此外，热力学第一定律还可以应用于电学、化学等领域。

例如，在电学中，当电流通过电阻时会产生热量，根据热力学第一定律可以计算出电阻产生的热量。

在化学中，反应热的计算也可以根据热力学第一定律来进行。

以下是一些具体例子，说明热力学第一定律的应用：1. 热电站：在热电站中，燃料燃烧产生的热能转化为蒸汽的机械能，再转化为电能。

根据热力学第一定律，热能被转化为机械能和电能，而总能量保持不变。

通过计算输入和输出的能量，我们可以评估热电站的效率。

2. 制冷机：制冷机是一种将热量从低温处转移到高温处的设备。

在制冷过程中，制冷剂在蒸发器中吸收热量并转化为气态，然后通过压缩机和冷凝器将热量释放到高温处。

可编辑修改精选全文完整版热力学第一定律科技名词定义中文名称：热力学第一定律英文名称：first law of thermodynamics其他名称：能量守恒和转换定律定义：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。

概述热力学第一定律热力学第一定律：△U=Q+W。

系统在过程中能量的变化关系英文翻译：the first law of thermodynamics简单解释在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q（吸热为正，放热为负），与环境交换的功为W（对外做功为负，外界对物体做功为正），可得热力学能（亦称内能）的变化为ΔU = Q+ W或ΔU=Q-W物理中普遍使用第一种，而化学中通常是说系统对外做功，故会用后一种。

定义自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。

英文翻译：The first explicit statement of the first law of thermodynamics, byRudolf Clausiusin 1850, referred to cyclic thermodynamic processes "In all cases in which work is produced by the agency of heat, a quantity of heat is consumed which is proportional to the work done; and conversely,by the expenditure of an equal quantity of work an equal quantity of heat is produced."基本内容能量是永恒的，不会被制造出来，也不会被消灭。