关于热力学第一定律的讲述 (一)

关于热力学第一定律的讲述

一、本文概述

热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是物理学中的一个基

本原理，它声明了在一个孤立的系统中，能量不能被创造或消除，只

能从一种形式转化为另一种形式。这个定律为我们理解热量、功和其

他形式能量之间的转换提供了基础。在本文中，我们将深入探讨热力

学第一定律的含义、历史背景、应用以及它在现代科学中的重要性。

我们将首先回顾这个定律的发展历程，然后详细解释其基本原理和数

学表达，接着讨论它在各种物理过程中的应用，包括热机、电力系统

和化学反应等。我们将探讨热力学第一定律如何帮助我们更好地理解

宇宙中的能量流动和转换，以及它对我们日常生活的影响。

二、热力学第一定律的基本原理

热力学第一定律，也被广泛称为能量守恒定律，是物理学中一个

基础而核心的定律。这个定律明确指出，在一个孤立的系统中，能量

不能被创造或消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个

部分转移到另一个部分。换句话说，系统的总能量始终保持不变。

这一原理的具体表述为：热量可以从一个物体传递到另一个物体,

也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总

值保持不变。这意味着，如果系统从外界吸收了热量，并且系统对外

界做了功，那么系统的内能增加的量就等于吸收的热量减去对外界所

做的功。

热力学第一定律为热力学的发展奠定了坚实的理论基础。它告诉

我们，能量虽然在形式上可以变化多端，但总量是守恒的。这一原理

不仅适用于宏观的热现象，也适用于微观的粒子运动。因此，无论是

研究宇宙的宏观运动，还是探索物质的微观结构，热力学第一定律都

提供了有力的理论支撑。

在实际应用中，热力学第一定律被广泛用于各种能量转换和热力

过程的计算和分析。例如，在热力发电、制冷技术、能源利用等领域，

都需要依据这一定律来评估能量的利用效率，以及预测和控制系统中

的能量变化。

热力学第一定律是热力学理论中的基石，它深刻地揭示了能量守

恒的本质，为我们认识和理解热力现象提供了有力的工具。无论是在

科学研究还是在实际应用中，这一定律都发挥着不可替代的重要作用O

三、热力学第一定律的实验验证

热力学第一定律作为热力学的基本原理之一，自其提出以来，就

受到了科学家们的广泛关注。为了验证这一定律的正确性，许多实验

被设计和执行。

其中，最著名的实验之一就是焦耳的热功当量实验。在这个实验

中，焦耳使用电热器对水进行加热，测量了产生一定热量所需的电能,

并将其与通过机械方式产生的相同热量进行了比较。他发现，无论热

量是通过电热还是机械方式产生，其效果都是相同的。这一实验结果

直接支持了热力学第一定律，即热量和功是等价的，可以相互转换。

除了焦耳的实验外，还有其他一些实验也对热力学第一定律进行

了验证。例如，卡诺循环实验通过构建一个理想的热机，展示了热能

和机械能之间的转换关系，从而验证了热力学第一定律。还有一些实

验涉及到气体的热力学性质，如气体的绝热膨胀和压缩等，也都为验

证热力学第一定律提供了重要的证据。

这些实验不仅验证了热力学第一定律的正确性，也为我们理解和

应用这一定律提供了宝贵的经验和数据U这些实验的结果表明，热力

学第一定律是热力学的基本原理之一，它描述了热量、功和内能之间

的基本关系，为我们研究热现象提供了重要的指导。

四、热力学第一定律在实际应用中的意义

热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是物理学中一个基础

且重要的原理。在实际应用中，它具有深近的意义。

热力学第一定律为我们提供了一个理解和分析能量转换与传递

过程的基本框架。在能源生产、转换和利用的各个环节中，从发泡厂

的运行到汽车引擎的工作，从太阳能电池板的能量转换到家庭电器的

使用，我们都可以运用这一定律来理解和优化这些过程的效率。

热力学第一定律是制定能源政策的重要依据。在评估能源使用效

率、制定节能措施、以及规划和开发新能源时，都需要考虑到能量转

换和传递过程中的能量损失。热力学第一定律提醒我们，能量既不能

被创造也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。因此，我

们需要更加高效地使用和转换能源，减少不必要的能量损失。

热力学第一定律在环境保护和可持续发展中也发挥着重要作用。

通过理解和应用这一定律，我们可以更好地评估各种能源使用方式的

环境影响，以及它们在推动可持续发展中的潜力。例如，可再生能源

如风能、太阳能等，它们的能量转换效率通常比传统能源更高，因此

对环境的影响也更小U

热力学第一定律在科学研究和教育中也具有重要的应用价值。它

为我们提供了一个理解自然界中能量转换和传递过程的基本工具，有

助于我们深入探索自然界的奥秘。通过教育普及热力学第一定律的知

识，可以培养人们的节能意识和环保意识，推动社会的可持续发展。

热力学第一定律在实际应用中具有深远的意义，它不仅为我们理

解和分析能量转换与传递过程提供了基本名架，还是制定能源政策、

推动环境保护和可持续发展、以及进行科学研究和教育的重要工具。

五、热力学第一定律的局限性和挑战

尽管热力学第一定律在科学和工业应用中具有广泛的适用性，但

它仍然存在一些局限性和挑战。

热力学第一定律主要关注的是系统的能量守恒，但它并没有揭示

出能量转换和利用过程中的效率问题。在实际应用中，能量的转换和

利用往往伴随着能量的损失和浪费，这就是所谓的“热力学第二定律”

所研究的领域。热力学第二定律告诉我们，能量转换和利用过程中总

会有一部分能量以热能的形式损失掉，这部分能量无法再被转换回原

来的形式。因此，热力学第一定律虽然保证了能量的守恒，但并不能

保证能量的高效利用。

热力学第一定律的应用也受到实验和测量技术的限制。在实际应

用中，我们需要对系统的能量进行精确的测量和计算，但由于实验技

术和设备的限制，往往难以做到完全准确。例如，在测量热量时，我

们可能会受到环境温度、测量设备的精度等因素的影响，导致测量结

果的误差。这些误差可能会影响到我们对热力学第一定律的理解和应

用。

热力学第一定律也面临着一些理论上的挑战。例如，在一些极端

条件下，如接近绝对零度或接近光速的情况下，热力学第一定律的适

用性可能会受到质疑。在这些极端条件下，物质的热学性质和能量转

换规律可能会发生变化，使得热力学第一定律不再适用。

虽然热力学第一定律为我们提供了一种理解和描述能量转换和

利用的基本框架，但它仍然存在一些局限性和挑战。在未来的科学研

究中，我们需要不断地探索和改进热力学理论，以更好地理解和利用

能量。

六、结论

热力学第一定律，作为物理学中的一个基本原理，其重要性不容

忽视。这个定律揭示了热量与功之间的关系，并指出了它们与物体内

能之间的转化关系。在热力学系统中，无论发生何种变化，无论热量

是从外界传递到系统内部，还是系统内部产生的热量传递到外界，或

是系统对外界做功，或是外界对系统做功，系统的内能变化总是等于

传递的热量与外界对系统做功之和。

这一定律的普适性不仅体现在日常生活中的各种物理现象中，更

在科学技术和工业生产等领域中发挥着重要作用。例如，在发动机、

热力发电站等热力设备的设计和运行中，热力学第一定律为我们提供

了理论基础，帮助我们理解设备的工作原理，优化设备性能，提高能

源利用效率。

热力学第一定律也对我们理解宇宙中的能量转化和守恒规律具

有重要意义。在宇宙学中，热力学第一定律为我们揭示了宇宙中的能

量是如何通过各种物理过程进行转化和传涕的，这对于我们理解宇宙

的演化历程和未来的发展趋势具有重要意义。

热力学第一定律不仅是物理学中的一个基本原理，更是我们理解

自然界中能量转化和守恒规律的一把钥匙。在未来的研究中，我们应

该继续深化对这一定律的理解和应用，以期在科学技术和工业生产等

领域中取得更多的突破和进步。

参考资料：

热力学第一定律，又称能量守恒定律，是物理学和化学中的基本

定律之一。它表达了在一个封闭系统中，能量不能被创造或破坏，只

能从一种形式转化为另一种形式。这个定律说明，能量在传递和转化

过程中，其总量保持不变。

热力学第一定律可以表述为：能量不能被创造或破坏，只能从一

种形式转化为另一种形式。也就是说，在一个封闭系统中，能量总和

保持不变。这个定律适用于所有自然现象，包括物理和化学过程。

热力学第一定律是由苏格兰物理学家詹姆斯•克拉克•麦克斯韦

于19世纪中叶提出的。他在研究热力学的过程中，发现能量在传递

和转化过程中，其总量保持不变。这个发现后来被命名为“能量守恒

定律”，是物理学和化学中的基本原理之一。

热力学第一定律可以应用于许多领域，包括物理学、化学、生物

学、地球科学等。例如，在物理学中，这个定律可以解释许多现象,

如物体的运动、热传导、辐射等。在化学中，这个定律可以解释化学

反应中的能量转化和分配。

热力学第一定律的意义在于它提供了一个基本的原理，用于解释

和预测自然现象中的能量传递和转化过程。这个定律表明，在一个封

闭系统中，能量不能被创造或破坏，只能从一种形式转化为另一种形

式。这个原理对于理解自然界的运行规律以及开发能源和新技术具有

重要意义。

热力学第一定律是一个基本的物理化学原理，它表述了能量在传

递和转化过程中其总量保持不变的规律。这个定律适用于所有自然现

象，包括物理和化学过程。它提供了一个基本的框架，用于解释和预

测能量传递和转化过程。

热力学第一定律(thefirstlawofthermodynamics)是涉及

热现象领域内的能量守恒和转化定律，反映了不同形式的能量在传递

与转换过程中守恒。

表述为：物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所做的功

的总和。即热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械

能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。

其推广和本质就是著名的能量守恒定律。

该定律经过迈尔(J.R.Mayer)＞焦耳(J.P.Joule)等多位物理

学家验证。十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，

它才以科学定律的形式被确立起来。

物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和，

表达式为=Q+W。

系统在绝热状态时，功只取决于系统初始状态和结束状态的能量,

和过程无关。

系统经过绝热循环，其所做的功为零，因此第一类永动机是不可

能的(即不消耗能量做功的机械)。

19世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的

关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析，所以热与机械功的相互

转化得到了广泛的研究V

埃瓦特(PeterEwart,1767—1842)对煤的燃烧所产生的热量

和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。

丹麦工程师和物理学家柯尔丁(L.Colding,1815—1888)对热、

功之间的关系也作过研究。他从事过摩擦生热的实验，1843年丹麦

皇家科学院对他的论文签署了如下的批语“柯尔丁的这篇论文的主

要思想是由于摩擦、阻力、压力等造成的机械作用的损失，引起了物

体内部的如热、电以及类似的动作，它们皆与损失的力成正比。”

俄国的赫斯(G.ILHess,1802-1850)在更早就从化学的研究得

到了能量转化与守恒的思想。他原是瑞士人，3岁时到俄国，当过医

生，在彼得堡执教，他以热化学研究著称。

1836年赫斯向彼得堡科学院报告：“经过连续的研究，我确信，

不管用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的，这个原理是如

此之明显，以至于如果我不认为已经被证明，也可以不加思索就认为

它是一条公理。”

于1840年3月27日在一次科学院演讲中提出了一个普遍的表述:

“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取

决于化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。”以后他把这条定

律广泛应用于他的热化学研究中。

赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理；热和

功的总量与过程途径无关，只决定于体系的始末状态。体现了系统的

内能的基本性质一一与过程无关。赫斯的定律不仅反映守恒的思想，

也包括了“力”的转变思想。至此，能量转化与守恒定律已初步形成。

其实法国工程师游迪•卡诺(SadiCarnot,1796—1832)早在

1830年就已确立了功热相当的思想，他在笔记中写道：“热不是别

的什么东西，而是动力，或者可以说，它是改变了形式的运动，它是

(物体中粒子的)一种运动(的形式)。当物体的粒子的动力消失时,

必定同时有热产生，其量与粒子消失的动力精确地成正比。相反地，

如果热损失了，必定有动力产生。”

“因此人们可以得出一个普遍命题：在自然界中存在的动力，在

量上是不变的。准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际上，它只

改变了它的形式。”

卡诺未作推导而基本上正确地给出了热功当量的数值：370千克

米/千卡。由于卡诺过早地死去，他的弟弟虽看过他的遗稿，却不理

解这一原理的意义，直到1878年，才公开发表了这部遗稿。这时，

热力学第一定律早已建立了。

对能量转化与守恒定律作出明确叙述的，首先要提到三位科学家。

他们是德国的迈尔(RobertMayer,1814—1878是赫姆霍兹(Hermann

vonHelmholtz,1821—1894)和英国的焦耳.

迈尔是一位医生。在一次驶往印度尼西亚的航行中，迈尔作为

随船医生，在给生病的船员放血时，得到了重要启示，发现静脉血不

像生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是像动脉血那样新鲜。当

地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。他还听到

海员们说，暴风雨时海水比较热。这些现象引起了迈尔的沉思。他想

到，食物中含有化学能，它像机械能一样可以转化为热。在热带高温

情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧

过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能

量的输入和输出是平衡的。迈尔在1842年发表的题为《热的力学的

几点说明》中，宣布了热和机械能的相当性和可转换性，他的推理如

下：

“力是原因：因此，我们可以全面运用这样一条原则来看待它们,

即'因等于果'。设因c有果e,则c=e；反之，设e为另一果f之

因，则有e二f等等，c=e=f=・・=c在一串因果之中，某一项或某一项

的某一部分绝不会化为乌有"这从方程式的性质就可明显看出。这是

所有原因的第一个特性，我们称之为不灭性。”

“如果给定的原因c产生了等于其自身的结果e,则此行为必将

停止；c变为e；若在产生e后，c仍保留全部或一部分，则必有进

一步的结果，相当于留下的原因c的全部结果将＞e,于是就将与前

提c=e矛盾。”“相应的，由于c变为e,e变为f等等，我们必须

把这些不同的值看成是同一客体出现时所呈的不同形式。这种呈现不

同形式的能力是所有原因的第二种基本特性。把这两种特性放在一起

我们可以说，原因（在量上）是不火的，而（在质上）是可转化的客

体。”

迈尔的结论是：“因此力（即能量）是不灭的、可转化的、不可

秤量的客体。”

迈尔这种推论方法显然过于笼统，难以令人信服，但他关于能量

转化与守恒的叙述是最早的完整表达。

迈尔在1845年发表了第二篇论文：《有机运动及其与新陈代谢

的联系》，该文更系统地阐明能量的转化与守恒的思想。他明确指出：

“无不能生有，有不能变无”，“在死的和活的自然界中，这个力(按：

即能量)永远处于循环转化的过程之中。任何地方，没有一个过程不

是力的形式变化！”他主张：“热是一种力，它可以转变为机械效应J

论文中还具体地论述了热和功的联系，推出了气体定压比热和定容比

热之差Cp-Cv等于定压膨胀功R的关系式。称Cp-Cv=nR为迈尔公

式。

接着迈尔又根据狄拉洛希(Delaroche)和贝拉尔德(Berard)

以及杜隆(Dulong)气体比热的实验数据Cp=267卡/克•度、Cv=188

卡/克•度计算出热功。

在定压下使1厘米3空气加热温升1度所需的热量为：Qp=mcp

△t=000347卡(取空气密度P=0013克/厘米3)。相应地，在定容

卜加热同量空气温升1度消耗的热Qv=000244卡。二者的热量差Qp

一Qv=000103卡。另一方面，温度升高1度等压膨胀时体积增大为原

体积的1/274倍；气体对外作的功，可以使033千克的水银柱升高

1/274厘米。即功=033X1/27400=78X10-5千克•米。于是迈尔得

出热功当量为

J=A/（Qp-Qv）二78X10-5/03X10-7=367千克•米/千卡。

迈尔还具体地考察了另外几种不同形式的力。他以起电机为例说

明了“机械效应向目的转化。”他认为：“下落的力”（即重力势能）

可以用“重量和（下落）高度的乘积来量度。”“与下落的力转变为

运动或者运动转变为下落的力无关，这个力或机械效应始终是不变的

常量。”

迈尔第一个在科学史中将热力学观点用于研究有机世界中的现

象，他考察了有机物的生命活动过程中的物理化学转变，确信“生命

力”理论是荒诞无稽的。他证明生命过程无所谓“生命力”，而是一

种化学过程，是由于吸收了氧和食物，转化为热。这样迈尔就将植物

和动物的生命活动，从唯物主义的立场，看成是能的各种形式的转变°

1848年迈尔发表了《天体力学》一书，书中解释陨石的发光是

由于在大气中损失了动能。他还应用能量守恒原理解释了潮汐的涨落。

迈尔虽然第一个完整地提出了能量转化与守恒原理，但是在他的著作

发表的几年内，不仅没有得到人们的重视，反而受到了一些著名物埋

学家的反对。由于他的思想不合当时流行的观念，还受到人们的诽谤

和讥笑，使他在精神上受到很大刺激，曾一度关进精神病院，倍受折

磨。

从多方面论证能量转化与守恒定律的是德国的海曼•赫姆霍兹。

他曾在著名的生理学家缪勒(JohannesMuller)的实验室里工作过

多年，研究过“动物热。”他深信所有的生命现象都必得服从物理与

化学规律。他早年在数学上有过良好的训练，同时又很熟悉力学的成

就，读过牛顿、达朗贝尔、拉格朗日等人的著作，对拉格朗日的分析

力学有深刻印象。他的父亲是一位哲学教授，和著名哲学家费赫特

(Fichte)是好朋友。海曼•赫姆霍兹接受了前辈的影响，成了康德

哲学的信徒，把自然界大统一当作自己的信条。他认为如果自然界的

“力”(即能量)是守恒的，则所有的“力”都应和机械“力”具

有相同的量纲，并可还原为机械“力”。1847年，26岁的赫姆霍

兹写成了著名论文《力的守恒》，充分论述了这一命题。这篇论文

是1847年7月23日在柏林物理学会会议上的报告，由于被认为是思

辨性、缺乏实验研究成果的一般论文，没有在当时有国际声望的《物

理学年鉴》上发表，而是以小册子的形式单独印行的。

但是历史证明，这篇论文在热力学的发展中占有重要地位，因为

赫姆霍兹总结了许多人的工作，一举把能量概念从机械运动推广到了

所有变化过程，并证明了普遍的能量守恒原理这是一个十分有力的

理论武器，从而可以更深入地理解自然界的统一性。

赫姆霍兹在这篇论文一开头就声称，他的“论文的主要内容是面

对物理学家，”他的目的是“建立基本原理，并由基本原理出发引出

各种推论，再与物理学不同分支的各种经验进行比较。”

在他的论述中有一明显的趋向，就是企图把一切自然过程都归结

于中心力的作用。大家都知道，在只有中心力的作用下，能量守恒是

正确的，但是这只是能量守恒原理的一个特例，把中心力看成是普遍

能量守恒的条件就不正确了。

他的论文共分六节，前两节主要是回顾力学的发展，强调了活力

守恒（即动能守恒），进而分析了“力”的守恒原理（即机械能守恒

原理）；第三节涉及守恒原理的各种应用；第四节题为“热的力当量

性，”他明确地摒弃了热质说，把热看成粒子（分子或原子）运动能

量的一种形式。第五节“电过程的力相当性”和第六节“磁和电磁现

象的力相当性”讨论各种电磁现象和电化学过程，特别是电池中的热

现象对能量转化关系进行了详细研究。文章最后提到能量概念也有可

能应用于有机体的生命过程，他的论点和迈尔接近。不过，看来他当

时并不知道迈尔的工作。

赫姆霍兹在结束语中写道：“通过上面的叙述已经证明了我门所

讨论的定律没有和任何一个迄今所知的自然科学事实相矛盾，反而却

引人注目地为大多数事实所证实。……这定律的完全验证，也许必须

看成是物理学最近将来的主要课题之一。”

实际上，实验验证这一定律的工作早在赫姆霍兹论文之前就已经

开始了。焦耳在这方面做出了巨大贡献。

焦耳是英国著名实验物理学家。1818年他出生于英国曼彻斯特

市近郊，是富有的酿酒厂主的儿子。他从小在家由家庭教师教授，16

岁起与其兄弟一起到著名化学家道尔顿(JohnDalton,1766—1844)

那里学习，这在焦耳的一生中起了关键的指导作用，使他对科学发生

了浓厚的兴趣，后来他就在家里做起了各种实验，成为一名业余科学

家。

这时正值电磁力和电磁感应现象发现不久，电机一一当时叫磁电

机(electric-magneticengine)刚刚出现，人们还不大了解

电磁现象的内在规律，也缺乏对电路的深刻认识，只是感到磁电机非

常新奇，有可能代替蒸汽机成为效率更高、管理方便的新动力，于是

一股电气热潮席卷了欧洲I,甚至波及美国。焦耳当时刚20岁，正处

于敏感的年龄，家中又有很好的实验条件(估计他父亲厂里有蒸汽机),

对革新动力设备很感兴趣，就投入到电气热潮之中，开始研究起磁电

机来。

从1838年到1B42年的几年中，焦耳一共写了八篇有关电机的通

讯和论文，以及一篇关于电池、三篇关于电磁铁的论文。他通过磁电

机的各种试验注意到电机和电路中的发热现象，他认为这和机件运转

中的摩擦现象一样，都是动力损失的根源。于是他就开始进行电流的

热效应的研究。

1841年他在《哲学杂志》上发表文章《电的金属导体产生的热

和电解时电池组中的热》，叙述了他的实验：为了确定金属导线的热

功率，让导线穿过一根玻璃管，再将它密缠在管上，每圈之间留有空

隙，线圈终端分开。然后将玻璃管放入盛水的容器中，通电后用温度

计测量水产生的温度变化。实验时，他先用不同尺寸的导线，继而又

改变电流的强度，结果判定“在一定时间内伏打电流通过金属导体产

生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的

焦耳定律，又称iR定律。

iR定律的发现使焦耳对电路中电流的作用有了明确的认识。他

仿照动物体中血液的循环，把电池比作心肺，把电流比作血液，指出：

“电可以看成是携带、安排和转变化学热的一种重要媒介”，并且认

为,在电池中“燃烧”一定量的化学“燃料”，在电路中（包括电池

本身）就会发出相应大小的热，和这些燃料在氧气中点火直接燃烧所

得应是一样多。请注意，这时焦耳已经用上了“转变化学热”一词，

说明他已建立了能量转化的普遍概念，他对热、化学作用和电的等价

性已有了明确的认识。

然而，这种等价性的最有力证据，莫过于热功当量的直接实验数

据。正是由于探索磁电机中热的损耗，促使焦耳进行了大量的热功当

量实验。1843年焦耳在《磁电的热效应和热的机械值》一文中叙述

了他的目的，写道：

“我相信理所当然的是：磁电机的电力与其它来源产生的电流一

样，在整个电路中具有同样的热性质。当然，如果我们认为热不是物

质，而是一种振动状态，就似乎没有理由认为它不能由一种简单的机

械性质的作用所引起，例如像线圈在永久磁铁的两极间旋转的那种作

用。与此同时，也必须承认，迄今尚未有实验能对这个非常有趣的问

题作出判决，因为所有这些实验都只限于电路的局部，这就留下了疑

问，究竟热是生成的，还是从感应出磁电流的线圈里转移出来的？如

果热是线圈里转移出来的，线圈本身就要变冷。……所以，我决定致

力于清除磁电热的不确定性。”

焦耳把磁电机放在作为量热器的水桶里，旋转磁电机，并将线圈

的电流引到电流计中进行测量，同时测量水桶的水温变化。实验表明,

磁电机线圈产生的热也与电流的平方成正比。

焦耳又把磁电机作为负载接入电路，电路中另接一电池，以观察

磁电机内部热的生成，这时，磁电机仍放在作为量热器的水桶里，焦

耳继续写道：“我将轮子转向一方，就可使磁电机与电流反向而接，

转向另一方，可以借磁电机增大电流。前一情况，仪器具有磁电机的

所有特性，后一情况适得其反，它消耗了机械力。”

比较磁电机正反接入电路的实验，焦耳得出“我们从磁电得到了

一种媒介，用它可以凭借简单的机械方法，破坏热或产生热。”

至此，焦耳已经从磁电机这个具体问题的研究中领悟到了一个具

有普遍意义的规律，这就是热和机械功可以互相转化，在转化过程中

一定有当量关系。他写道：

“在证明了热可以用磁电机生成，用磁的感应力可以随意增减由

于化学变化产生的热之后，探求热和得到的或失去的机械功之间是否

存在一个恒定的比值，就成了十分有趣的课题。为此目的，只需要重

复以前的一些实验并同时确定转动仪器所需的机械力。”

焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，相距约4米处置两个定

滑轮，跨过滑轮挂有硅码，祛码约几磅重（1磅二45359千克），可随

意调整。线圈浸在量热器的水中，从温度计的读数变化可算出热量，

从祛码的重量及下落的距离可算出机械功。在1843年的论文中，焦

耳根据13组实验数据取平均值得如下结果：

“能使1磅的水温度升温华氏一度的热量等于（灯转化为）把

838磅重物提升1英尺的机械功。”

838磅•英尺相当于1135焦耳，这里得到的热功当量838磅♦英

尺/英热单位等于511焦耳/卡（现代公认值为187焦耳/卡）。

焦耳并没有忘记测定热功当量的实际意义，就在这篇论文中他指

出，最重要的实际意义有两点：（1）可用于研究蒸汽机的出力；（2）

可用于研究磁电机作为经济的动力的可行性。可见，焦耳研究这个问

题始终没有离开他原先的目标。

焦耳还用多孔塞置于水的通道中，测量水通过多孔塞后的温升，

得到热功当量为770磅•英尺/英热单位（145焦耳/卡）。这是焦耳

得到的与现代热功当量值最接近的数值。

1845年，焦耳报道他在量热器中安装一带桨叶的转轮，如图，

经滑轮吊两重物下滑，桨轮旋转，不断搅动水使水升温，测得热功当

量为890磅•英尺/'英热单位，相当于782焦耳/卡。

同年，焦耳写了论文《空气的稀释和浓缩所引起的温度变化》，

记述了如下实验：把一个带有容器R的压气机C放在作为量热器的水

桶A中，如图2-2。压气机把经过干燥器G和蛇形管W的空气压缩到

容器R中，然后测量空气在压缩后的温升，从温升可算出热量。气压

从一个大气压变为22个大气压，压缩过程视为绝热过程，可计算压

气机作的功。由此得到热功当量为823及795磅•英尺/英热单位。

然后，经蛇形管释放压缩空气，量热器温度下降，又可算出热功当量

为760磅・英尺/英热单位，从空气的压缩和膨胀得到的平均值为

798磅•英尺/英热单位，相当于312焦耳/卡。

1849年6月，焦耳作了一个《热功当量》的总结报告，全面整

理了他几年来用桨叶搅拌法和铸铁摩擦法测热功当量的实验，给出如

下结果（单位均以磅•英尺/英热单位表示）：

焦耳的实验结果处理得相当严密，在计算中甚至考虑到将重量还

原为真空中的值。对上述结果，焦耳作了分析，认为铸铁摩擦时会有

微粒磨损，要消耗一定的功以克服其内聚力，因此所得结果可能偏大。

汞和铸铁在实验中不可避免会有振动，产生微弱的声音，也会使结果

偏大。

在这三种材料中，以水的比热最大，所以比较起来，应该是用水

作实验最准确。因此，在他的论文结束时，取772作为最后结果，

这相当于154焦耳/'卡。对此，他概括出两点：

“第一，由物体，不论是固体或液体，摩擦产生的热量总是正比

于消耗的力之量；第二，使一磅水（在真空中称量，用于55°-60°）

的温度升高1°F,所需消耗的机械力相当于772磅下落1英尺。”

焦耳从1843年以磁电机为对象开始测量热功当量，直到1878年

最后一次发表实验结果，先后做实验不卜四百余次，采用了原埋不同

的各种方法，他以日益精确的数据，为热和功的相当性提供了可靠的

证据，使能量转化与守恒定律确立在牢固的实验基础之上。

表述形式：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。

在工程热力学范围内，热力学第一定律可表述为：热能和机械能

在转移或转换时，能量的总量必定守恒。

基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功

必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。

热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。

这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，

是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违

背能量守恒定律。

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（环境对系统做功为正，

系统对环境做功为负），可得热力学能（亦称内能）的变化为二Q+孔

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。

表征热力学系统能量的是内能（即热力学能）。在热力学中，

把除了传热之外的能量变化都叫功，系统与环境交换能量，使内能有

所变化。根据能量守恒定律，系统由初态1经过任意过程到达终态n

后，内能的变化应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q和环

境对系统作功W之差（谁对谁做功取决于W值的正负），即这就是

热力学第一定律的表达式。对于还有因物质从外界进入系统而带入的

能量Z,则不在热力学第一定律的考察范围之内，这是热力学第一定

律的先决条件。也就是要求系统是一个封闭系统。例如假设有如下实

验：实验从一个装有氧气分子的箱子（系统）开始，箱子密闭，但顶

上有一个可以开启的盖子，箱子外部（环境）为真空，某一时刻（始

态）打开箱子盖，由于外面是真空，氧气分子将自发的扩散出去C一

些氧气分子离开了箱子，自然就带走了系统的一部分内能，而这一部

分内能的损失，既不反映为做功，也不反映为传热。因此热力学第一

定律无法处理，因物质的增加或减少而引起的内量变化。

对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为。因u是状

态函数，是全微分；Q、W是过程量，和只表示微小量并非全微分，

用符号以示区别v且U只与系统的始末态有关。

热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。

这是许多人幻想制造的能不断地做功而无需任何燃料和动力的机器，

是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违

背能量守恒定律。

系统必须为封闭系统，有物质交换的敞开系统不在热力学第一定

律的考虑范围之内。即基本定义式无法使用。

热力学第一定律本质上与能量守恒定律是的等同的，是一个普适

的定律，适用于宏观世界和微观世界的所有体系，适用于一切形式的

分月匕匕四里。

自1850年起，科学界公认能量守恒定律是自然界普遍规律之一。

能量守恒与转化定律可表述为：

自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一

种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。

热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有

的特殊形式，是人类经验的总结，也是热力学最基本的定律之一。它

适用于宏观世界和微观世界的所有体系，适用于一切形式的能量。

对于气体、液体和各向同性的固体，在不考虑表面张力和没有外

力场的情况下，它们的状态可以用P、V、T三个量中的任意两个作为

状态参量来描述，这样的物体系统为P-V系统。

对于P-V系统，在无限小的准静态过程中，外界对系统所做的微

量功dW=-pdVo

热力工程上实施热力过程的目的有两点：一是实现预期的能量转

换；二是达到预期的状态变化。

在热力设备中常以气体为工作物质（简