热力学第一定律又称为

热力学第一定律，说白了，就是能量守恒定律。对，就是你在初中物理课上就听过的那个。能量不能被凭空创造，也不会凭空消失。它只会从一种形式，转换成另一种形式，或者从一个物体，转移到另一个物体。总量，永远不变。

听起来很简单，但这个定律是支撑我们整个现代工业和科学的基石之一。它不是一个建议，而是一个铁律。宇宙就是这么运行的。

为了把这个事儿说清楚，科学家们搞出了一个公式，看起来有点吓人，但其实很好理解：

ΔU = Q + W

我们一个一个拆开看。

首先是 ΔU。这个 Δ 是希腊字母 Delta，在数学和物理里，它通常代表“变化量”。U 代表“内能”（Internal Energy）。所以 ΔU 就是一个系统内能的变化量。

什么是内能？你可以把它想象成一个系统内部所有能量的总和。包括分子运动的动能，分子之间相互作用的势能，等等。一个物体，只要它不是在绝对零度（零下273.15摄氏度），它就有内能。你现在坐着不动，你身体里也有巨大的内能。一壶冷水，把它烧开，它的内能就增加了。

所以，ΔU 就是在说，这个系统的“家底”是变厚了还是变薄了。

然后是 Q。Q 代表热量（Heat）。这是系统和外界因为温度差而交换的能量。如果外界比系统热，热量就会流进系统，这时 Q 是正数。比如你用火烧水，火的热量传给了水，水吸收了热量。反过来，如果系统比外界热，热量就会从系统流出去，这时 Q 是负数。比如一杯热水放在桌上，它会慢慢变凉，就是因为它在向周围的空气散热。

最后是 W。W 代表功（Work）。这是除了热量之外，系统和外界交换能量的另一种方式。当外界对系统做功时，W 是正数。什么叫外界对系统做功？最经典的例子就是压缩气体。你拿一个打气筒，堵住出气口，然后用力往下压活塞。你在使劲，你在消耗你自己的能量，把这个能量传递给了气筒里的气体。气体的内能增加了，摸一下气筒壁，你会发现它变热了。这就是你做的功（W）转化成了气体的内能（ΔU）。

反过来，当系统对外界做功时，W 是负数。比如汽车的发动机。汽油在气缸里燃烧，产生高温高压气体，这些气体膨胀，推动活塞运动，最终带动车轮转动。这个过程就是气体（系统）在对活塞（外界）做功。系统付出了能量，所以它的内能会减少。

好了，现在我们把这三个东西串起来看公式：ΔU = Q + W。

一个系统内能的变化量（ΔU），等于它吸收的热量（Q），加上外界对它做的功（W）。

这不就是一个能量的收支账本吗？

ΔU 是你银行账户余额的变化。
Q 是别人给你转账（吸收热量，Q为正）或者你给别人转账（放出热量，Q为负）。
W 是别人给你一笔现金（外界对你做功，W为正）或者你给别人一笔现金（你对外界做功，W为负）。

你账户里钱的变化，就等于所有进账减去所有出账。能量也是一样。一个系统的内能增加，要么是它吸收了热量，要么是外界对它做了功，或者两者都有。

我们来看几个生活中的例子。

第一个，烧开水。
你用燃气灶烧一壶水。燃气燃烧，产生热量（Q），通过锅底传递给水。水吸收了这些热量，温度升高，内能增加（ΔU变大）。这个过程中，水基本没有对外界做功，外界也没有对水做功，所以 W 约等于0。于是公式就简化成了 ΔU = Q。水增加的内能，就等于它吸收的热量。这很直观。

第二个，你的身体。
你吃饭，食物在你体内经过化学反应，释放出化学能。这部分能量一部分用来维持你的体温（这是内能的一部分），另一部分支撑你进行各种活动，比如走路、跑步、思考。你走路，就是你的身体在对外界做功（W）。同时，你的身体会持续向外散热（Q）。所以你身体的能量变化，就是你从食物里获取的能量，减去你做功消耗的能量，再减去你散发掉的热量。如果你摄入的能量大于你消耗的，多余的能量就会以脂肪的形式储存起来，你的“内能”就增加了。反之，你就会变瘦。减肥的本质，就是让能量消耗大于能量摄入。

第三个，冰箱。
冰箱很有意思，它不是制冷，而是“热量的搬运工”。冰箱的压缩机通电后开始工作（外界对系统做功，W为正）。它驱动制冷剂在冰箱内外循环。制冷剂在冰箱内部蒸发，吸收冰箱里的热量（系统吸收热量，Q为正），让冰箱内部变冷。然后制冷剂被压缩机压缩，流到冰箱背后的冷凝管里，在那里液化，把从冰箱内部吸收的热量，再加上压缩机做功产生的热量，一起散发到厨房的空气里。你摸冰箱两侧或者背后，会感觉很热，就是这个原因。整个过程，能量没有消失。冰箱只是消耗了电能（W），把冰箱内部的热量（Q_in）搬运到了厨房里（Q_out）。它完全遵守 ΔU = Q + W。

所以，热力学第一定律告诉我们一个残酷但真实的事实：天下没有免费的午餐。

你不可能造出一台不需要任何能量输入，却能永远转动下去的机器。这就是所谓的“第一类永动机”。这种机器如果存在，它就在无中生有地创造能量，这直接违反了热力学第一定律。所以，所有关于永动机的想法，从理论根基上就是错的。你投入多少能量，最多就只能转换出多少能量，而且因为摩擦、热量散失等各种损耗，你实际能得到的有用功，永远比你投入的能量要少。能量的总量守恒，但它的“品质”会下降，变得越来越难以利用。不过，这就是热力-学第二定律要讨论的事了。

总之，热力学第一定律，就是宇宙的能量账本。它简单、普适、而且至今没有发现任何例外。从恒星的燃烧，到你心脏的每一次跳动，都受它支配。