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.\"

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基本内容

能量是永恒的，不会被制造出来，也不会被消灭。但是热能可以给动能提供动力，而动能还能够再转化成热能。[1]

普遍的能量转化和守恒定律是一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。

热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。

表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ=ΔU=Q－W或Q=ΔU+W这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU=Q－W+Z。当然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可负（使系统能量增加为正、减少为负）。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为

δQ=dU+δW因U是态函数，dU是全微分；Q、W是过程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符号δ以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。 对于准静态过程，有δQ=dU+pdV 发展历史及表述 发展历史

卡诺

法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi

Carnot,1796～1832）(右图)生于巴黎。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。

卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自

己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。他独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究，

以期得到普遍性的规律。卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机），提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递

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的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。实际上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。

后来，卡诺的学术地位随着热功当量的发现，热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示的过程慢慢形成了。 热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。 将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。 表述

热力学的基本定律之一，是能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。它的另一种表述方式为：不消耗能量就可以作功的\"第一类永动机\"是不可能实现的。

18世纪以来，流行一时的\"热质说\"相继为 Count von朗福德、J.R.von迈尔、J.P.焦耳等人所推翻。他们证明热是物质运动的一种表现，并逐步归纳成第一定律的表述方式。其中焦耳于1840～1850年进行的热功当量实验为这一定律的科学表述奠定了基础。焦耳的实验表明，机械能所作的功W与其转换得到的热量Q之间存在着严格的数量关系，不管转换的过程如何，一个单位的热量永远相当于E个单位的功，即W=EQ，式中E称为热功当量。在国际单位制(SI)中热量和功的单位都是焦耳(J)，所以E=1。

对于封闭系统（见热力系统），热力学第一定律可表达为 Q=ΔU+W

或 δQ=dU+δW

它表明向系统输入的热量Q,等于系统内能的增量ΔU和系统对外界作功W之和。 在热工设备中经常遇到工质稳定地流入和流出设备的开口系统（见图）的情形。这时，热力学第一定律可表达为

热力学第一定律

它表明向系统输入的热量Q，等于质量为m的流体流经系统前后焓H的增量、动能

的增量以及系统向外界输出的机械功W之和。

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