关于热力学第一定律介绍

[拼音]：relixue di-yi dinglü

[外文]：first law of thermodynamics

热力学的基本定律之一，能量守恒和转换定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。能量守恒和转换定律的内容是：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转换和传递的过程中，各种形式能量的总量保持不变。

从18世纪末到19世纪中叶这段时期里，人类在积累的经验和大量的生产实践、科学实验基础上建立了热力学第一定律。在此过程中，德国医生J.R.迈尔和英国物理学家J.P.焦耳作出了重要贡献，他们各自通过独立地研究做出了相同的结论。1842年迈尔在《论无机界的力》一文中，曾提出了机械能和热量的相互转换原理，并由空气的定压比热容同定容比热容之差计算出热功当量的数值。1845年出版的《论有机体的运动和新陈代谢》一书，描述了运动形式转化的25种情况。焦耳从1840年起做了大量有关电流热效应和热功当量方面的实验（见焦耳热功当量实验）。于1840～1845年间陆续发表了《论伏打电池所生的热》、《电解时在金属导体和电池组中放出的热》、《论磁电的热效应及热的机械作用》以及《论由空气的胀缩所产生的温度变化》等文章。他通过各种精确的实验，直接求得了热功当量的数值，其结果的一致性，给能量守恒和转换定律奠定了坚实的实验基础。除了迈尔和焦耳之外，还有许多科学家也对热力学第一定律的建立作出过贡献。如1839年M.塞甘作出了论述热化学中反应热同中间过程无关的定律的文章；1843年L. A.科耳丁发表了测定热功当量的实验结果；1847年H.von亥姆霍兹在有心力的假设下，根据力学定律全面论述了机械运动、热运动以及电磁运动的“力”互相转换和守恒的规律等等。在这段历史时期内，各国的科学家所以能独立地发现能量守恒和转换定律，是由当时的生产条件所决定的。从18世纪初到18世纪后半叶，蒸汽机的制造、改进和在英国炼铁业、纺织业中的广泛采用，以及对热机效率、机器中摩擦生热问题的研究，大大促进了人们对能量转换规律的认识。

热力学第一定律涉及到内能同其他能量形式间的相互转换，它给出了系统在状态发生变化的过程中，从外界吸收的热量、对外界作的功以及系统本身内能的变化三者间的定量关系。

利用焦耳测定热功当量的实验装置，把装置中的水作为绝热系统(见绝热过程)，系统开始处于某一平衡状态Ⅰ，靠外界对水作功使之达到终了的平衡状态Ⅱ。实验结果表明，系统由态Ⅰ经各种绝热过程到达态Ⅱ时，外界对系统所作的功都相等。由此得到结论：绝热过程中外界对系统所作的功只同系统的初态和终态有关，而同中间经历什么状态无关。因此这个功的值必定等于一个态函数在终态及初态的差值，这个函数称为内能，用U表示，于是有

UⅡ-UI=ΔU=-A (1)

式中-A为外界对系统作的功，UI、UⅡ分别代表系统在态Ⅰ与态Ⅱ的内能值， 因而UⅡ-UI表示系统经历一绝热过程由态Ⅰ 到态Ⅱ时其内能的增加量。式(1)说明在绝热过程中，外界对系统所作的功，等于系统内能的增加。这正是能量守恒与转换定律在绝热条件下的特殊情况。

为建立第一定律的数学表述，可将式(1)推广到非绝热过程，以所研究的系统M 同另一系统N一起构成一个大绝热系统M+N，但M同N之间不绝热、不作功，大系统对外界所作的功A仅由M来完成，即A＝AM，大系统的内能为M及N两者内能之和UM＋UN。当大系统经历一过程时，根据式(1)应有

令Δ(UN)＝-Q，则

(2)

Q称为系统M 所吸收的热量，它实质上是系统N所减少的内能。由于N对M 和外界均没有作功，所以系统N减少的内能，以传热方式传给了系统M。因上式中的系统M是任意的，可去掉角标M，则有

(3)

这就是热力学第一定律的普遍数学表达式。它的物理意义为：任一过程中，系统所吸收的热量在数值上等于该过程中系统内能的增量及对外界作功的总和。第一定律揭示了热量是被传递的能量，是与功相当的同过程有关的量，不是什么"热质"（见热质说），也不是热力学系统状态参量。由此人们对"热量"这一概念有了正确的认识。式(3)称为热力学第一定律的积分形式，因为它是就有限过程来说的。若考虑一无限小的过程，则与式(3)等价的第一定律的微分表达式为

(4)

必须注意的是：其中dU是全微分，而婾Q和婾A均表示小量，它们不是全微分，因为在一有限过程中，Q和A均同过程有关。

式(3)表达的是封闭系统(同外界没有物质交换的系统)的热力学第一定律。如果系统是开放的，与外界既可以有功和热量的作用，还可以有交换物质的相互作用，则第一定律将表述为

(5)

式中的 Z表示因有物质由外界进入系统而带入的能量数值。第一定律还可应用于化学反应的系统。

在热力学第一定律的公式(3)、(4)、(5)中，重要的是内能这个量，它是在平衡态条件下定义的，不能任意地把它应用于非平衡态。因此需作两点说明：

（1）在公式中仅仅涉及到初、终二态，所以仅要求系统的初态和终态是平衡的，而不论中间所经历的状态是否平衡。

（2）这些公式可以推广到处于局域平衡的系统。所谓局域平衡指的是就系统整体看处于非平衡态，而就其每一宏观小的局部看可近似地认为处于平衡态。因而整个系统的内能U在一定的条件下，等于各小部分内能Ui之和，即

(6)

“第一类永动机是不可能造成的”是热力学第一定律的另一种表述方式。在第一定律确立前，曾有许多人幻想制造一种不消耗能量，但可以作功的机器，称为第一类永动机。制造这种永动机的努力的彻底失败，从反面促进了能量守恒和转换定律的建立。由于机器必须能连续工作，即要求其工作物质（热力学系统）必须完成循环，因而工作物质的内能不变ΔU＝0，由式(3)得

Q＝A。 (7)

这表明系统在一循环中，对外界作的功应等于在该循环中从外界吸收的热量。如果不吸热Q＝0，则必有A＝0。显然若不从外界吸热，却对外作了不等于零的功，这是违背能量守恒和转换定律的。

热力学第一定律有广泛的应用，是一切热力学过程必需遵从的规律。

参考书目

1. 王竹溪著：《热力学简程》，人民教育出版社，北京，1964。
2. M.A.列昂托维奇，张厚玫译：《热力学概论》，高等教育出版社，北京，1955。

参考文章

• 什么是热力学第一定律？电能技术
• 什么是热力学第一定律，它的表达式是怎样的？电能技术
• 热力学第一定律的实质是什么？它说明什么问题？电能技术