第三章 热力学第一定律
热力学第一定律是研究热力学的主要基础之一，也是分析和计算能量转化的主要依据，并且在我们以后的几章分析中也离不开它。对其他热力学理论的建立也起着非常重要的作用。
热一律的建立
1840—1851年间，迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨建立了热力学第一定律，它指出了能量转化的数量关系，随着分子运动论的建立和发展，肯定了热能与机械能相互转化的实质是热能与机械能都是物质的运动，其相互转化就是物质由一种运动形态转变为另一种运动形态的运动且转化时能量守恒，把能量守恒定律应用于热力学，就叫做热力学第一定律，至此热力学第一定律完全建立。
本章重点：1 讨论热力学第一定律的实质。
2 能量方程的建立及工程实际中的应用。
3—1 热力学第一定律的实质
实质：热一律的实质是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
能量转化守恒定律指出：在自然界中，物质都具有能量，能量有各种不同的形式，既不能创造，也不能随意消失，而只能从一种形态转化成另一种形态。由一个系统转逆到另一个系统。在能量转化和传递过程中，能量的总和保持不变，这个定律对任何一个系统都可写成
// 系统进入 离开
即输入系统的能量输出系统的能量系统储存的能量的变化量。
能量守恒定律不适从任何理论推导出来的，而是人类在长期的生产斗争和科学实验中积累的丰富经验的总结，并为无数实践所证实。它是自然界中最普遍、最基本的规律之一。普遍适用于机械的、热能的、电磁的、原子的、化学的等多变过程。物理学中的功能原理、工程力学中的机械能守恒定律等。其实质都是能量守恒与转化定律，热一律就是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。这个定律指出，热能与其它形式的能量相互转化和总能量守恒。
机械能
热能 化学能
电磁能
第三章 热力学第一定律
第一节 热力学第一定律的实质
热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律。能量守恒与转换定律的核心内容就是：
自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式
转变为另一种形式，在转换中，能量的总量恒定不变。量守恒与转换定律是人类对长期实践
经验和科学实验的总结，是自然界的一个基本规律。将能量守恒与转换定律应用于热力学所
研究的与热能相关的能量传递与转换，得到的就是热力学第一定律。
热力学第一定律有许多种表述方法。历史上，最早的表述为：“热可以变为功，功也可
以变为热。消失一定量的热时，必产生数量相当的功；消耗一定量的功时，亦必出现相应数
量的热”。当初所以这样表述，是因为在热力学第一定律提出之前，对于热的认识还很模糊，
热量的单位与功的单位也不统一，导致表述比较繁杂。最早的另外一种表述为：“第一类永
动机是不可能制造成功的”。所谓第一类永动机是一种不花费能量就可以产生动力的机器。
历史上，有人曾幻想要制造这种机器，但由于违反了热力学第一定律能量守恒的原则，结果
总是失败。这种表述是从反面说明要得到机械能必须花费热能或其它能量。热力学第一定律
可以简单地表述为：在热能与其它形式的能量互相转换时，能的总量保持守恒。
热力学第一定律是热力学的基本定律，是热力过程能量传递与转换分析计算的基本依
据。它普遍适用于任何工质、任何过程。用热力学第一定律分析一个发生能量传递与转换的
热力过程时，首先需要分析列出参与过程的各种能量，依据热力学第一定律能量守恒的原则，
建立能量平衡方程式。对于任何一个具体的热力系所经历的任何热力过程，热力学第一定律
能量平衡方程式都可以一般地表示为：
进入系统的能量一离开系统的能量 = 系统储存能的变化 （3-1）
（3-1）式是一种以热力系为对象，用方程式的形式对热力学第一定律的表述。它的成
立，并不依赖系统某种工质或某个热力过程的个别属性，所依据的仅是热力学第一定律能量
热力学第一定律
这两种改变内能方式的做功和热传递，它不仅反映了＝＋Δ．热力学第一定律的表达式为跟内能改变量的定量关系。热量、功等效性，也给出了
>，物体吸收热量，表示>．应用热力学第一定律进行计算时，要遵循各物理量的符号规定，，当它们为负值时，都分别表示各自的相反过程。内能增加，表示Δ>，外界对物体做功表示
，>，>Δ，
．将打气筒的出气口堵住，用力将活塞下压，若对气体做功 ，气体通过筒壁向外放热卡，则气体的内能改变了 (卡＝焦)。
热力学第一定律
.热力学第一定律的研究对象
研究功、热量跟内能的变化之间的定量关系。
．热力学第一定律的内容及公式
()内容：如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，物体内能的增加Δ就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和。
()公式：Δ＝＋
．对热力学第一定律的理解
()热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
()对公式Δ＝＋符号的规定： 符号
Δ
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
()在绝热过程中，＝，＝Δ，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
()在应用热力学第一定律的过程中，应特别分清、的正、负，以便更准确地判断Δ 的正、负，Δ的正、负代表了变化过程中内能是增加的还是减少的。
．下列说法正确的是( )
．物体放出热量，其内能一定减小
．物体对外做功，其内能一定减小
．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
解析：选 由热力学第一定律Δ＝＋可知，若物体放出热量，外界对物体做正功，则Δ不一定为负值，即内能不一定减小，故项错误；同理可分析出，项和项错误，项正确。
热力学第一定律应用举例
.理想气体的等压过程
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第三章 2 热力学第一定律
问题？
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？
热力学第一定律
焦耳的实验一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的；另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。
在焦耳之前，人们还没有认识到做功与热传递在改变系统内能方面是等价的。焦耳做实验的本意是要探究两者的关系。
我们在上节课已经知道，单纯地对系统做功（热力学系统的绝热过程），内能的变化量与功的关系是
ΔU ＝ W
单纯地对系统传热，则内能的变化量与传递热量的关系是
ΔU ＝ Q
既然做功与传递热量对改变系统的内能是等价的，那么，当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是
ΔU ＝ Q ＋ W
也就是说，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫作热力学第一定律（first law of thermodynamics）。
可见，“问题”栏目中的汽缸内气体内能的变化量等于活塞对气体所做的功与通过加热向汽缸内气体传递的热量之和。
思考与讨论
一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做的功是 135 J，同时向外放热 85 J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。
热力学第一定律的应用
在运用热力学第一定律解决问题时，需要首先确定研究对象。对于公式ΔU＝Q＋W，我们可以这样理解：外界对系统做功有助于系统内能的增加，因此，外界对系统做功时，W 取正值；而系统对外界做功时，W取负值。同理，外界对系统传递热量有助于系统内能的增加，U1
U2 F 2 / 4
因此，外界对系统传递的热量Q 取正值；而系统向外界传递的热量Q就取负值。
