热力学第一定律及其思考
热力学第一定律原理分析
热力学第一定律原理分析热力学是研究物质能量转化和守恒的学科，其中最基本的定律被称为热力学第一定律。
热力学第一定律表明能量在物理系统中是守恒的，它是整个热力学理论体系的基础。
本文将对热力学第一定律原理进行分析，探讨其相关概念、表述以及应用。
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，指的是能量在物理系统中的守恒原理。
按照能量守恒原理，一个系统的内能变化等于从系统中传入的热量减去对外做功的量。
这可用一个简单的数学公式来表示：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统所吸收或放出的热量，W表示系统所做的对外功。
这个公式反映了能量不会自发地消失或产生，只能通过热量传递和对外做功的方式转移。
二、热力学第一定律的表述热力学第一定律可以用不同的形式表述，其中最常见的有以下几种形式：1. 热力学第一定律的简单表述：能量不会自发地产生或消失，只能从一个物体传递到另一个物体或转化为其他形式。
2. 热力学第一定律的数学表述：在一个热力学循环中，系统的内能变化等于循环过程中吸热与放热之间的差值，再减去对外做功的量。
3. 热力学第一定律的微观表述：能量守恒的原理可以通过分子级别的能量转移来解释，即分子间的热运动导致能量传递。
三、热力学第一定律的应用热力学第一定律是研究热力学问题的基础和出发点，它在各个领域都有重要应用，以下是其中的一些常见应用：1. 热力学循环中的工作原理：热力学第一定律揭示了热力学循环中能量的转移与转化，例如内燃机、蒸汽机等均基于这一原理进行工作。
2. 热力学过程中的能量分析：热力学第一定律可以用于分析热传导、热辐射等能量转移过程中的能量转化效率和能源利用率。
3. 热力学平衡条件的确定：热力学第一定律可以用于确定物质在不同温度下的平衡条件，从而对不同系统的热平衡进行分析。
4. 热力学系统的性质研究：热力学第一定律可以帮助研究者了解系统内部的能量分布和转移状况，从而更好地分析系统的性质和行为。
浅谈热力学第一和第二定律
论热力学第一和第二定律内容提要：热力学第一和第二定律是热力学的最基本最重要的理论基础，其中热力学第一定律从数量上描述了热能与机械能相互转换时数量的关系。
热力学第二定律从质量上说明热能与机械能之间的差别，指出能量转换是时条件和方向性。
在工程上它们都有很强的指导意义。
关键字：热力学第一定律热力学第二定律统计物理学哲学热现象是人类最早接触的自然现象之一。
从钻木取火开始，人类对热的利用和认识经历了漫长的岁月，直到近三百年，人类对热的认识才逐步形成一门科学。
在十八世纪初期，由于煤矿开采工业对动力抽水机的需求，最初在英国出现了带动往复水泵的原始蒸汽机。
后来随着工业的发展，随着对动力得更高要求，人们不断改进蒸汽机，从而导致蒸汽机效率的不断提高。
特别是1763~1784年间英国人瓦特对当时的原始蒸汽机作出的重大改进，这次改进直接推动了工业革命，是人类的生产力水平得到很大提高。
随着蒸汽机的广泛应用，如何进一步提高蒸汽机效率的问题变的日益重要。
这样就促使人们人们对提高蒸汽机热效率、热功转换的规律等问题的深入研究，从而推动了热力学的发展，其中热力学第一和第二定律便在这种发展中产生。
热力学第一定律：热力学的基本定律之一。
是能的转化与守恒定律在热力学中的表现。
它指出热是物质运动的一种形式，并表明，一个体系内能增加的量值△E（=E末-E初）等于这一体系所吸收的热量Q与外界对它所做的功之和，可表示为△E＝W＋Q 。
对热力学第一定律应从广义上理解，应把系统内能的变化看作是系统所含的一切能量（如化学的、热的、电磁的、原子核的、场的能量等）的变化，而所作的功是各种形式的功，如此理解后，热力学第一定律就成了能量转换和守恒定律。
在1885年，恩格斯把这个原理改述为“能量转化与守恒定律”，从而准确而深刻地反映了这一定律的本质内容。
同时热力学第一定律也可表述为：第一类永动机是不可能制造的。
在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械, 这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。
热力学第一定律的理解
解析 (1)由热力学第一定律可得ΔU＝ W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，气体 的内能增加了160 J。 (2)由于气体的内能仅与状态有关，所以 气体从状态2回到状态1的过程中内能应 减少，其减少量应等于从状态1到状态2 的过程中内能的增加量，则从状态2到 状态1的内能应减少160 J，即ΔU′＝－ 160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第 一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J， 即外界对气体做功80 J。 答案 (1)增加160 J (2)外界对气体做 功 80 J
【备选】 (2011· 江苏卷) 如图 所示，内壁光滑的汽缸水平放 置．一定质量的理想气体被活塞 密封在汽缸内，外界大气压强为 p0.现对汽缸缓慢加热，气体吸收 热量Q后，体积由V1增大为V2.则 在此过程中，气体分子平均动能 ______( 增大 选填“增大”、“不变” 或“减小”)，气体内能变化了 Q－p0(V2－V1) ______________.
P、V、 T
解析 由于对汽缸缓慢加热，温 度升高，气体分子平均动能 增大； 根据热力学第一定律: W＋Q＝ΔU， 其中气体对外做功: W＝－p0(V2－V1)， 气体内能变化: ΔU＝Q－p0(V2－V1). 答案 增大 Q－p0(V2－V1)
解析显隐
3.规律方法
规律方法
应用热力学第一定律应注意符号法则:
选修3-3 热学
热力学第一定律的理解
主讲人：徐礼艺
1.热点透析
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方式改变内 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，即ΔU＝Q＋W。
1.热力学第一定律的几种特殊情况 ①若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于 物体内能的增加量． ②若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于 物体内能的增加量． ③若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0 或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．
物理化学知识点总结(热力学第一定律)
热力学第一定律一、基本概念1.系统与环境敞开系统：与环境既有能量交换又有物质交换的系统。
封闭系统：与环境只有能量交换而无物质交换的系统。
（经典热力学主要研究的系统）孤立系统：不能以任何方式与环境发生相互作用的系统。
2.状态函数：用于宏观描述热力学系统的宏观参量，例如物质的量n、温度T、压强p、体积V等。
根据状态函数的特点，我们把状态函数分成：广度性质和强度性质两大类。
广度性质：广度性质的值与系统中所含物质的量成正比，如体积、质量、熵、热容等，这种性质的函数具有加和性，是数学函数中的一次函数，即物质的量扩大a倍，则相应的广度函数便扩大a倍。
强度性质：强度性质的值只与系统自身的特点有关，与物质的量无关，如温度，压力，密度，摩尔体积等。
注：状态函数仅取决于系统所处的平衡状态，而与此状态的历史过程无关，一旦系统的状态确定，其所有的状态函数便都有唯一确定的值。
二、热力学第一定律热力学第一定律的数学表达式：对于一个微小的变化状态为：dU=公式说明：dU表示微小过程的内能变化，而δQ和δW则分别为微小过程的热和功。
它们之所以采用不同的符号，是为了区别dU是全微分，而δQ和δW不是微分。
或者说dU与过程无关而δQ和δW却与过程有关。
这里的W既包括体积功也包括非体积功。
以上两个式子便是热力学第一定律的数学表达式。
它们只能适用在非敞开系统，因为敞开系统与环境可以交换物质，物质的进出和外出必然会伴随着能量的增减，我们说热和功是能量的两种传递形式，显然这种说法对于敞开系统没有意义。
三、体积功的计算1.如果系统与环境之间有界面，系统的体积变化时，便克服外力做功。
将一定量的气体装入一个带有理想活塞的容器中，活塞上部施加外压。
当气体膨胀微小体积为dV时，活塞便向上移动微小距离dl，此微小过程中气体克服外力所做的功等于作用在活塞上推力F与活塞上移距离dl的乘积因为我们假设活塞没有质量和摩擦，所以此活塞实际上只代表系统与环境之间可以自由移动的界面。
练习思考-热力学第一定律(物理化学)
第一章 热力学第一定律首 页难题解析 学生自测题 学生自测答案 难题解析 [TOP]例 1-1某会场开会有1000人参加，若每人平均每小时向周围散发出400kJ 的热量。
试求：(1) 如果以礼堂中空气和椅子等为系统，则在开会时的30分钟内系统的热力学能增加了多少？(2) 如果以礼堂中的空气、人和其他所有的东西为系统，则其热力学能的增加又为多少？ 解：(1)开会30分钟时产生的热量为：()J 100.2603010400100083⨯=⨯⨯⨯=Q此为恒容系统，故0=W 根据热力学第一定律： ()J 100.28⨯=+=∆W Q U(2) 因为此为孤立系统，所以：0=∆U例 1-2mol 单原子理想气体在298K 时，分别按下列三种方式从15.00dm 3膨胀到40.00 dm 3：（1）自由膨胀；（2）恒温可逆膨胀；（3）恒温对抗100kPa 外压下膨胀。
求上述三种过程的Q 、W 、ΔU 和ΔH 。
解：（1）自由膨胀过程，0)(0)(1212e ＝＝＝V V V V p W -⨯--因为理想气体的热力学能和焓都只是温度的函数，而理想气体自由膨胀过程温度不变，所以：ΔU =ΔH =f (T )＝00=-∆=W U Q（2）因为理想气体等温过程，所以：ΔU =ΔH =0J 486000.1500.40ln 298314.82ln 12-=⨯⨯⨯-=-V V nRT W ＝ J4860=-=W Q （3）同理，ΔU =ΔH =0J 250010)00.1500.40(100000)(312e -=⨯-⨯-=--=－V V p WJ 2500=-=W Q例 1-3具有无摩擦活塞的绝热气缸内有5mol 双原子理想气体，压力为1013.25kPa ，温度为298.2K 。
（1）若该气体绝热可逆膨胀至101.325kPa ，计算系统所做的功。
（2）若外压从1013.25kPa 骤减至101.325kPa ，系统膨胀所做的功为多少？解：（1） R C V 25m ,=，R C p 27m ,=，4.1/m ,m ,==V p C C γK p T =-γγ1， γγγ--=121112/p p T T4.154)110298(4.1/14.04.04.12=⨯⨯=-T K 绝热 0=Q ， )(12m ,T T nC U W V -=∆=kJ 94.14)2.2984.154(314.8255-=-⨯⨯⨯=W （2）对抗恒定外压101.325kPa 绝热膨胀，0=Q ，U W ∆=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=1122e 12e )(p nRT p nRT p V V p W ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯-=102.298314.852T )2.298(314.8255)(212m ,-⨯⨯⨯=-=∆T T T nC U VK 5.2212=TkJ 97.7)102.2985.221(314.85-=-⨯⨯-=W 学生自测题 [TOP]一、填空题1、系统的性质分为__________和_____________。
第2章 热力学第一定律
第2章 热力学第一定律思考题：1. 对一定量的理想气体，下列单纯PVT 过程是否可能：① 等温下绝热膨胀。
② 等压下绝热压缩。
③ 体积不变，而温度上升，且过程绝热。
④ 吸热而温度不变。
⑤ 温度不变，且压力不变。
2. 在一个带有无摩擦、无质量的绝热活塞的绝热气缸内充入一定量的气体。
气缸内壁绕有电阻丝，活塞上方施以一恒定压力，并与缸内气体成平衡状态，如图所示。
现通入一微小电流，使气体缓慢膨胀。
此过程为一等压过程，故Q p =ΔH ，该系统为一绝热系统，则Q p =0，所以此过程的ΔH=0。
此结论对否？3. 已知下述反应的Θ∆m r H ：① C(石墨) + 0.5 O 2(g) == CO(g) )(I H m r Θ∆② CO+ 0.5 O 2(g) == CO 2(g) )(II H m r Θ∆③ H 2(g) + 0.5 O 2(g) == H 2O(g) )(III H m r Θ∆④ 2H 2(g) + O 2(g) == 2H 2O(l) )(IV H m r Θ∆(i) )(I H m r Θ∆，)(II H m r Θ∆，)(III H m r Θ∆，)(IV H m r Θ∆是否分别是CO(g) ，CO 2(g) ，H 2O(g)， H 2O(l)的Θ∆m f H ？(ii) )(I H m r Θ∆，)(II H m r Θ∆，)(III H m r Θ∆是否分别是C(石墨)，CO 2(g)，H 2(g)的Θ∆mC H ？ 4. 什么情况下，一个化学反应的Θ∆m r H 不随温度变化？选择题：1. 绝热水箱中装有水，水中绕有电阻丝，由蓄电池供给电流。
假设电池放电过程中无热效应，通电后电阻丝和水的温度皆有升高。
A ．Q=0，W<0，ΔU<0 B. Q<0，W>0，ΔU>0 C ．Q>0，W=0，ΔU>0D. Q=0，W>0，ΔU>0E. Q<0，W=0，ΔU<0① 以电池为系统，水和电阻丝为环境，上述正确的是② 以电阻丝为系统，水和电池为环境，上述正确的是③ 以水为系统，电阻丝和电池为环境，上述正确的是④ 以水和电阻丝为系统，电池为环境，上述正确的是⑤ 以电池和电阻丝为系统，水为环境，上述正确的是2. 使公式p p Q H =∆成立的条件是A 开放体系，只作膨胀功，P 体=P 外=常数B 封闭体系，可作任何功，P 体=P 外=常数C 封闭体系，只作有用功，P 体=P 外=常数D 封闭体系，只作膨胀功，P 体=P 外=常数E 封闭体系，只作膨胀功，P 始=P 终=P 外=常数3. 根据热力学第一定律，关于封闭体系的描述正确的是A. 吸热Q 是状态函数B. 对外做功W 是状态函数C. Q-W 是状态函数D. 热力学能U 是状态函数4. 下列说法，哪一种不正确？A. 焓只有在特定条件下，才与系统吸热相等B. 焓是人为定义的一种具有能量量纲的热力学量C. 焓是状态函数D. 焓是体系可以与环境进行热交换的能量5.下列说法正确的是A. 热容C不是状态函数B. 热容C与途径无关C. 恒压热容C p不是状态函数D. 恒容热容C v不是状态函数6.某体系经历一不可逆循环后，下列说法错误的是A. Q=0B. W=0C. ΔU=0D. ΔC p=0E. ΔC v=0F. ΔH=07.公式ΔU=Q+W适用于什么体系A. 开放体系B. 封闭体系C. 孤立体系8.下列说法正确的是A. 理想气体经历绝热自由膨胀后，其热力学能变化为零；B. 非理想气体经历绝热自由膨胀后，其热力学能变化不一定为零；C. 非理想气体经历绝热自由膨胀后，其温度不一定降低。
热力学第一定律及其思考
热力学第一定律及其思考热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是热力学中最基本的原理之一、它表达了能量在物体间的转化与传递过程中的守恒关系。
热力学第一定律通过对系统的能量进行计量和分析，揭示了能量的转化过程中存在的一些基本规律和限制条件，为热力学研究奠定了基础。
ΔU=Q-W其中，ΔU代表系统内部能量的变化，Q代表系统从外界吸收的热量，W代表系统对外界做的功。
1.能量守恒：热力学第一定律表明，能量在系统内外之间的转化和传递是守恒的。
在一个封闭的系统中，能量可以从一个形式转化为另一个形式，但其总量保持不变。
例如，当一个物体吸收了一定量的热量时，它的内能会增加；而当物体对外界做功时，它的内能会减少。
这种能量的转化和变化是相互关联的，且总能量守恒。
2.能量传递与转化：热力学第一定律表明，能量由高温物体传递给低温物体的过程中，总是伴随着一定量的热量传递和对外界做的功。
热量传递是通过热传导、对流和辐射等方式进行的，而对外界做的功则是通过物体对外部施加一定力的过程实现的。
这种能量的传递和转化使得物体的内能发生变化，从而影响其宏观性质。
1.能量转化的效率：根据热力学第一定律，能量的转化总是会伴随有一些能量的损失或浪费。
例如，热机的效率就是指输入的热量与输出的功之比，而这个比值永远小于1、这表明在实际的能量转化过程中，总是会有一部分能量以热量的形式散失，无法转化为有用的功。
因此，在热力学的分析和应用中，我们需要考虑如何提高能量转化的效率，以减少能源的浪费和环境污染。
2.能量平衡与系统稳定：热力学第一定律也可以作为一个宏观系统的能量平衡方程。
通过分析能量的输入、输出和转化过程，可以评估系统的稳定性。
当能量输入和输出相等时，系统达到了平衡状态；而当能量输入和输出不平衡时，系统就会发生变化和调整，以寻求新的平衡状态。
通过理解和应用热力学第一定律，可以帮助我们研究和控制宏观系统的能量平衡，从而实现系统的稳定和优化。
3.能量与环境：能量的转化和传递过程不仅影响着物体的性质和行为，也与环境之间存在着密切的关系。
第一章 热力学第一定律
第一章 热力学第一定律核心内容：能量守恒 ΔU=Q+W主要内容：三种过程（单纯pVT 变化、相变、化学反应）W 、Q 、ΔU 、ΔH 的计算一、内容提要1．热力学第一定律与状态函数（1）热力学第一定律： ΔU=Q+W （封闭系统） 用途：可由ΔU ，Q 和W 中的任意两个量求第三个量。
（2）关于状态函数（M ）状态函数：p 、V 、T 、U 、H 、S 、A 、G ……的共性： ①系统的状态一定，所有状态函数都有定值；②系统的状态函数变化值只与始终态有关，而与变化的途径无关。
用途：在计算一定始终态间的某状态函数增量时，为了简化问题，可以撇开实际的复杂过程，设计简单的或利用已知数据较多的过程进行计算。
ΔM （实）=ΔM （设）。
这种方法称为热力学的状态函数法。
③对于循环过程，系统的状态函数变化值等于零，即ΔM =0。
此外，对于状态函数还有如下关系：对于组成不变的单相封闭系统，任一状态函数M 都是其他任意两个独立自变量（状态函数）x 、y 的单值函数，表示为M=M(x 、y)，则注意：因为W 和Q 为途径函数，所以Q 和W 的计算必须依照实际过程进行。
⎰-=21V V a m bdV p W ，其中p amb 为环境压力。
Q 由热容计算或由热力学第一定律求得。
dy y M dx x M dM xy ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=)(1循环关系式-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂xM y M y y x x M )(22尤拉关系式xy My x M ∂∂∂=∂∂∂1（p 1,V 1,T 1） （p'1,V 1,T 2） 2（p 2,V 2,T 2） （p 1,V'1,T 2） VT 将热力学第一定律应用于恒容或恒压过程，在非体积功为零（即w'=0）的情况下有：Q V =ΔU ，Q p =ΔH （H 的定义：H=U+pV ）。
此时，计算Q v 、Q p 转化为计算ΔU 、ΔH ，由于U 、H 的状态函数性质，可以利用上面提到的状态函数法进行计算。
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热力学第一定律及其思考
摘要：在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械可以使系统不断的经历状态变化后又回到原来状态，而不消耗系统的内能，同时又不需要外界提供任何能量，但却可以不断地对外界做功。
在热力学第一定律提出之前，人们经过无数次尝试后，所有的种种企图最后都以失败而告终。
直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。
本文就这一伟大的应用于生产生活多方面的定律的建立过程、具体表述、及生活中的应用——热机，进行简单展开。
关键字：内能；热力学；效率；热机
1.热力学第一定律的产生
1.1历史渊源与科学背景
火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。
18世纪中期,苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。
这种理论认为,热是由一种特殊的没有重量的流体物质,即热质（热素）所组成,并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象,因而这种学说为当时一些著名科学家所接受,成为十八世纪热力学占统治地位的理论。
十九世纪以来热之唯动说渐渐地为更多的人们所注意。
特别是英国化学家和物理学家克鲁克斯（M.Crookes，1832—1919）,所做的风车叶轮旋转实验,证明了热的本质就是分子无规则运动的结论。
热动说较好地解释了热质说无法解释的现象,如摩擦生热等。
使人们对热的本质的认识大大地进了一步。
戴维以冰块摩擦生热融化为例而写成的名为《论热、光及光的复合》的论文,为热功提供了有相当说服力的实例,激励着更多的人去探讨这一问题。
1.2热力学第一定律的建立过程
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。
1836年，俄国的赫斯：“不论用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的”。
1830年，法国萨迪·卡诺：“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”。
这时能量转化与守恒思想的已经开始萌发，但卡诺的这一思想，在1878年才公开发表，此时热力学第一定律已建立了。
德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。
迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。
他认为，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。
迈尔的结论是：“因此力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体”。
并在1841年、1842年撰文发表了他的观点，在1845年的论文中，更明确写道：“无不能生有，有不能变无。
”“在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。
”
焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。
1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。
1849年发表《论热功当量》，1878年发表《热功当量的新测定》，最后得到的数值为423.85公斤·米/千卡，焦耳测热功当量用了三十多年，实验了400多次，
付出大量的辛勤劳动。
1847年，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。
能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。
将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。
2.热力学第一定律的表述
2.1热力学第一定律的文字表述
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，在转化和传递中能量的数量保持不变。
该定律就称为热力学第一定律，也称为能量转换与守恒定律，这一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外做功的机械）是不能制作出来的。
2.2数学表达式
2.2.1内能定理
在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使大统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。
当系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。
内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。
内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。
内能与系统状态之间有一一对应的关系。
从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统做功，内能也增加。
若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加应等于这两者之和。
2.2.2热力学第一定律的数学表达式
假定在系统从内能为E1的状态到内能为E2的状态的某一过程中，外界对系统传递的热量为Q，同时系统对外界做功为A，那么根据能量守恒与转换定律，有热力学第一定律的数学表达式Q = (E2—E1) + A ，同时对Q与A的正、负号规定：Q>0表示系统从外界吸收热量，反之则向外界放出热量；A>0表示系统对外界做正功，反之则表示外界对系统做正功。
从热力学第一定律的数学表达式Q = (E2—E1) + A 可以看出：系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界做功。
3.热力学第一定律与热机及其效率
3.1热机
自人们开始使用蒸汽机以来，其效率一直都很低，95%以上的热量都未被利用。
其他热机的效率也普遍不高，譬如：液体燃料火箭效率48%，柴油机效率37%，汽油机效率25%等等。
如何才能使热机的效率更高呢？
热机是指把持续将热转化为功的机械装置，一个热机至少应包含以下三个组成部分：循环工作物质；两个或两个以上的温度不同的热源，使工作物质从高温热源吸热,向低温热源放热；对外做功的机置。
热机的效率:
由上式及上图可知，从高温热源吸收的Q1在工作物质B中一部分用来对外做功，而另外一部分则转化成Q2放热到空气T2中到低温处。
由此可知,热机不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为功,即热机效率不能达到100%,这样，人们就必然会关心燃料燃烧所产生的热中，或热机从高温热源吸收的热量中，有多少能量转化为有用功的问题。
热机工作原理图
3.2 卡诺循环
为了提高热机效率，1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环—卡诺循环。
给出了热机效率的理论极限值；他还提出了著名的卡诺定理，其原理如下所示：
卡诺循环P-V 图
从图上可以看出：卡诺循环过程由四个准静态过程组成，由两条等温线和两条绝热线构成，其中正循环为卡诺热机，逆循环为卡诺致冷机。
卡诺热机效率：
卡诺致冷机致冷系数w ：
可以看出卡诺循环是为效率最高的热机，这也充分的说明第一永动机是永远不可以制造出来的，但我们还是可以利用科学手段将我们热机的效率尽可能的提高。
P
V
121432121211ln ln 11V V T V V T Q Q Q Q Q Q A -=-=-==η2122122T T T Q Q Q A Q -=-==ω
参考文献
1.吴百诗.大学物理[M].西安：西安交通大学出版社，2008：5—27
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