第四節　熱力學的基本定律

熱力學第一定律是能量守恒與轉換定律在熱現象上的應用。能量守恒與轉換定律的意義是什么？能量既不能被創造，也不能被消滅，但能夠從一個物體轉移至另一個物體，而轉移前后能量的總和不變。

工程熱力學中主要研究熱能與機械能之間的相互轉換，機械能常以變為“功”來度量，因而，能量守恒定律可以表達為“熱可以變為功，功可以變為熱”，消耗了一定量的功時，必然出現與之相應數量的熱。例如，摩擦功可以化為熱是很容易理解的，至于熱量在物體之間的轉移，則復雜一些，例如，暖器中的熱水，在溫度降低時把熱量轉移到房間，在數量上是守恒的。

在熱量與功的轉換中，一定量的功相當于多少熱量？也就是常說的熱功當量關系，可以用式（1.49）表示：

　　 （1.49） 　　

由此，可獲得熱與功在數量上的關系：

Q=AW　　（1.50）

式中，Q為熱量，kJ；A為熱功當量；W為功，kgf·m。

但是，如上所述的摩擦功可以化為熱量，熱量卻不可以無條件地化為功；同樣，熱能從高溫可以傳遞到低溫，卻不能無條件地從低溫傳遞到高溫。熱力學第二定律就是研究這些條件的，雖然上述熱能與功的轉換的具體形式各不相同。但是，熱力學第二定律指出，它們需要的條件是一致的，那就是需要消耗外界的另一種能，或向外界付出損失。

例如，熱泵要用制冷劑從低溫物體取熱，必須消耗壓縮機的壓縮功，才能將熱傳遞到高溫物體，設高溫物體得到的熱為Q1，從低溫物體提取的熱為Q2，壓縮功為W，則有式（1.51）成立：

Q1=Q2+W　　（1.51）

而描述該熱泵的經濟技術指標稱之為COP：

　　 （1.52） 　　

顯然，W愈小，COP值愈高，表明熱泵的技術經濟性愈高。

總之，熱力學第一定律指出了熱能（如高溫與低溫）之間及機械能與熱能之間的等量性，但是，它們之間還存在著質的區別，即前者可以自發地、無條件地轉化為后者，后者卻不能無條件地轉化為前者，熱力學第二定律揭示了這種轉化的條件。